Нуклеиновые кислоты.
Впервые нуклеиновые кислоты (НК) были обнаружены в 1869 г. швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером. НК - это линейные неразветвленные гетерополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды, связанные фосфодиэфирными связями. Нуклеотид состоит из: 1. азотистого основания - пуриновые (аденин (А) и гуанин (Г) - их молекулы состоят из 2-х колец: 5-ти и 6-ти членного), - пиримидиновые (цитозин (Ц), тимин (Т) и урацил (У) – одно шестичленное кольцо); 2. углевода (5-ти углеродное сахарное кольцо): рибоза или дезоксирибоза; 3. остатка фосфорной кислоты. Существует 2 типа НК: ДНК и РНК. НК обеспечивают хранение, воспроизведение и реализацию генетической (наследственной) информации. Эта информация закодирована в виде нуклеотидных последовательностей. Последовательность нуклеотидов отражает первичную структуру белков. Соответствие между аминокислотами и кодирующими их нуклеотидными последовательностями называется генетическим кодом. Единицей генетического кода ДНК и РНК является триплет – последовательность из трех нуклеотидов.
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – это нуклеиновая кислота, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды; это материнский носитель генетической информации. Т.е. вся информация о структуре, функционировании и развитии отдельных клеток и целостного организма записана в виде нуклеотидных последовательностей ДНК. Первичная структура ДНК – одноцепочечная молекула (фаги). Дальнейшая укладка макромолекулы полимера называется вторичной структурой. В 1953 г. Джеймс Уотсона и Френсис Крик открыли вторичную структуру ДНК – двойную спираль. В этой спирали фосфатные группировки находятся снаружи спиралей, а основания – внутри и расположены с интервалом 0,34 нм. Цепи удерживаются вместе водородными связями между основаниями и закручены одна вокруг другой и вокруг общей оси. Основания в антипараллельных нитях за счет водородных связей образуют комплементарные (взаимодополняемые) пары: А = Т (2 связи) и Г ≡ Ц (3 связи). Явление комплементарности в строении ДНК в 1951 г. обнаружил Эрвин Чаргафф. Правило Чаргаффа: число пуриновых оснований всегда равно числу пиримидиновых (А+Г)=(Т+Ц). Третичная структура ДНК – это дальнейшая укладка двуцепочечной молекулы в петли, благодаря водородным связям между соседними витками спирали (суперспирализация). Четвертичная структура ДНК – это хроматиды (2 нити хромосомы). Рентгенограммы волокон ДНК, впервые полученные Моррисом Уилкинсом и Розалиндой Франклин, указывают на то, что молекула обладает спиральной структурой и содержит более одной полинуклеотидной цепи. Существует несколько семейств ДНК: А, В, С, D, Z–формы. В клетках обычно встречается В–форма. Все формы, кроме Z, правозакрученные спирали. Репликация (самоудвоение) ДНК – это один из важнейших биологических процессов, обеспечивающих воспроизведение генетической информации. Репликация начинается с разделения двух комплементарных цепей. Каждая цепь используется в качестве матрицы для образования новой молекулы ДНК. В процессе синтеза ДНК участвуют ферменты. Каждая из двух дочерних молекул обязательно включает одну старую спираль и одну новую. Новая молекула ДНК абсолютно идентична старой по последовательности нуклеотидов. Такой способ репликации обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была записана в материнской молекуле ДНК. В результате репликации одной молекулы ДНК образуется две новые молекулы, которые являются точной копией исходной молекулы – матрицы. Каждая новая молекула состоит из двух цепей – одной из родительских и одной из сестринских. Такой механизм репликации ДНК называется полуконсервативным. Реакции, в которых одна молекула гетерополимера служит матрицей (формой) для синтеза другой молекулы гетерополимера с комплементарной структурой, называются реакциями матричного типа. Если в ходе реакции образуются молекулы того же вещества, которое служит матрицей, то реакция называется автокаталитической. Если же в ходе реакции на матрице одного вещества образуются молекулы другого вещества, то такая реакция называется гетерокаталитической. Таким образом, репликация ДНК (т.е. синтез ДНК на матрице ДНК) являетсяавтокаталитической реакцией матричного синтеза. К реакциям матричного типа относятся: - репликация ДНК (синтез ДНК на матрице ДНК), - транскрипция ДНК (синтез РНК на матрице ДНК), - трансляция РНК (синтез белков на матрице РНК). Однако существуют и другие реакции матричного типа, например, синтез РНК на матрице РНК и синтез ДНК на матрице РНК. Два последних типа реакций наблюдаются при заражении клетки определенными вирусами. Синтез ДНК на матрице РНК (обратная транскрипция) широко используется в генной инженерии. Все матричные процессы состоят из трех этапов: инициации (начала), элонгации (продолжения) и терминации (окончания). Репликация ДНК – это сложный процесс, в котором принимает участие несколько десятков ферментов. К важнейшим из них относятся ДНК-полимеразы (несколько типов), праймазы, топоизомеразы, лигазы и другие. Главная проблема при репликации ДНК заключается в том, что в разных цепях одной молекулы остатки фосфорной кислоты направлены в разные стороны, но наращивание цепей может происходить только с того конца, который заканчивается группой ОН. Поэтому в реплицируемом участке, который называется вилкой репликации, процесс репликации протекает на разных цепях по-разному. На одной из цепей, которая называется ведущей, происходит непрерывный синтез ДНК на матрице ДНК. На другой цепи, которая называется запаздывающей, вначале происходит связывание праймера – специфического фрагмента РНК. Праймер служит затравкой для синтеза фрагмента ДНК, который называется фрагментом Оказаки. В дальнейшем праймер удаляется, а фрагменты Оказаки сшиваются между собой в единую нить фермента ДНК–лигазы. Репликация ДНК сопровождается репарацией – исправлением ошибок, неизбежно возникающих при репликации. Существует множество механизмов репарации. Репликация происходит перед делением клетки. Благодаря этой способности ДНК осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним. РНК (рибонуклеиновая кислота) – это нуклеиновая кислота, мономерами которой являются рибонуклеотиды. В пределах одной молекулы РНК имеется несколько участков, которые комплементарны друг другу. Между такими комплементарными участками образуются водородные связи. В результате в одной молекуле РНК чередуются двуспиральные и односпиральные структуры, и общая конформация молекулы напоминает клеверный лист. Азотистые основания, входящие в состав РНК, способны образовывать водородные связи с комплементарными основаниями и ДНК, и РНК. При этом азотистые основания образуют пары А=У, А=Т и Г≡Ц. Благодаря этому возможна передача информации от ДНК к РНК, от РНК к ДНК и от РНК к белкам. В клетках обнаруживается три основных типа РНК, выполняющих различные функции: 1. Информационная, или матричная РНК (иРНК, или мРНК). Функция: матрица белкового синтеза. Составляет 5% клеточной РНК. Передает генетической информации от ДНК на рибосомы при биосинтезе белка. В эукариотических клетках иРНК (мРНК) стабилизирована с помощью специфических белков. Это делает возможным продолжение биосинтеза белка даже в том случае, если ядро неактивно. мРНК представляет собой линейную цепь с несколькими областями с разной функциональной ролью: а) на 5'-конце находится кэп («колпачок») – защищает мРНК от экзонуклеаз, б) за ним идет нетранслируемый участок, комплементарный отделу рРНК, которая входит в малую субъединицу рибосомы, в) трансляция (считывание) мРНК начинается с инициирующего кодона АУГ, кодирующего метионин, г) за инициирующим кодоном следует кодирующая часть, которая содержит информацию о последовательности аминокислот в белке. 2. Рибосомная, или рибосомальная РНК (рРНК). Составляет 85% клеточной РНК. В соединении с белком входит в состав рибосом, определяет форму большой и малой рибосомных субъединиц (50-60S- и 30-40S-субъединиц). Принимают участие в трансляции – считывании информации с иРНК в синтезе белка. Субъединицы и входящие в них рРНК принято обозначать по их константе седиментации. S - коэффициент седиментации, единицы Сведберга. Величина S характеризует скорость оседания частиц при ультрацентрифугировании и пропорциональна их молекулярной массе. (Так, например, рРНК прокариот с коэффициентом седиментации 16 единиц Сведберга обозначается как 16S рРНК). Т.о., выделяют несколько видов рРНК, различающихся по длине полинуклеотидной цепи, массе и локализации в рибосомах: 23-28S, 16-18S, 5S и 5,8S. И прокариотическая, и эукариотическая рибосомы содержат 2 различные высокополимерные РНК, по одной на каждую субъединицу, и одну низкомолекулярную РНК - 5S РНК. Эукариотические рибосомы также содержат и низкомолекулярную 5,8S РНК. Н-р, у прокариот синтез 23S, 16S и 5S рРНК, у эукариот - 18S, 28S, 5S и 5,8S. 80S-рибосома (эукариотическая)
Малая 40S субъединица Большая 60S субъединица - 18SрРНК (~2000 нуклеотидов), - 28SрРНК (~4000 н.), - 5,8SрРНК (~155 н.), - 5SрРНК (~121 н.), ~30 белков. ~45 белков.
70S-рибосома (прокариотическая)
Малая 30S субъединица Большая 50S субъединица - 16SрРНК, - 23SрРНК, - 5SрРНК, ~20 белков. ~30 белков.
Большая молекула высокополимерной рРНК (константа седиментации 23-28S, локализована в 50-60S субъединицах рибосом. Малая молекула высокополимерной рРНК (константа седиментации 16-18S, локализована в 30-40S субъединицах рибосом. Во всех без исключения рибосомах присутствует низкополимерная 5S рРНК, локализована в 50—60S субъединицах рибосом. Низкополимерная рРНК с константой седиментации 5,8S характерна только для эукариотических рибосом. Т.о., в состав рибосом входит три типа рРНК у прокариот и четыре типа рРНК у эукариот. Первичная структура рРНК - одна полирибонуклеотидная цепь. Вторичная структура рРНК – спирализация самой на себя полирибонуклеотидной цепи (отдельные участки цепи РНК образуют спирализованные петли – «шпильки»). Третичная структура высокополимерных рРНК - взаимодействия спирализованных элементов вторичной структуры. 3. Транспортная РНК (тРНК). Составляет 10% клеточной РНК. Переносит аминокислоту к месту синтеза белка, т.е. к рибосомам. Для каждой аминокислоты имеется своя тРНК. Первичная структура тРНК – одна полирибонуклеотидная цепь. Вторичная структура тРНК – модель «клеверный лист», в этой структуре 4 двухцепочечных и 5 одноцепочечных участков. Третичная структура тРНК – стабильная, молекула сворачивается в Г-образную структуру (2 почти перпендикулярных друг другу спирали). Все типы РНК образуются в результате реакций матричного синтеза. В большинстве случаев матрицей служит одна из цепей ДНК. Таким образом, биосинтез РНК на матрице ДНК является гетерокаталитической реакцией матричного типа. Этот процесс называется транскрипцией и контролируется определенными ферментами – РНК–полимеразами (транскриптазами). Синтез РНК (транскрипция ДНК) заключается в переписывании информации с ДНК на мРНК. Отличия синтеза РНК от синтеза ДНК: 1. Асимметричность процесса: в качестве матрицы используется лишь одна цепь ДНК. 2. Консервативность процесса: молекула ДНК по окончании синтеза РНК возвращается в исходное состояние. При синтезе ДНК молекулы наполовину обновляются, что делает репликацию полуконсервативной. 3. Синтез РНК не требует для своего начала никакой затравки, а при репликации ДНК необходима РНК-затравка.
|
