Нуклеїнові кислоти

Нуклеїнові кислоти – високомолекулярні біополімери, мономерними ланками яких є нуклеотиди. До них належать:

• ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) – є носієм інформації про структуру білків організму; забезпечує збереження і спадкову передачу цієї інформації;

• РНК (рибонуклеїнова кислота) – «зчитує» інформацію з ДНК; забезпечує механізм її використання в процесі синтезу білків.

Нуклеотиди – органічні речовини, молекули яких складаються із:

• залишка азотистої (нітратної) основи; розрізняють:

  • пуринові нітратні основи – в структурі мають 2 цикли: 6-членний і 5-членний; до них належать: аденін (А), гуанін (Г);

  • піримідинові нітратні основи – в структурі мають 1 6-членний цикл; до них належать: тимін (Т), цитозин (Ц), урацил (У);

• залишка пентози – рибози або дезоксирибози;

• залишка фосфорної кислоти.

Нуклеотиди ДНК (аденіловий, гуаніловий, цитидиловий, тимідиловий) мають залишок пентози дезоксирибози і залишок однієї із нітратних основ: А, Г, Ц, Т.

Нуклеотиди РНК (аденіловий, гуаніловий, цитидиловий, уридиловий) мають залишок пентози рибози і залишок однієї із нітратних основ: А, Г, Ц, У.

Рівні структурної організації молекул нуклеїнових кислот:

• первинна структура – визначається кількістю, якістю і порядком розміщення нуклеотидних ланок у полінуклеотидному ланцюгу (нуклеотиди сполучаються складноестерними зв’язками, що виникають між залишком фосфорної кислоти одного нуклеотида і залишком пентози наступного нуклеотида – між залишками пентози сусідніх нуклеотидів виникають фосфодіестерні містки; нарощування ланцюга відбувається у напрямку 5´-3´);

• вторинна структура (просторова конфігурація):

  • ДНК представлена 2 антипаралельними полінуклеотидними ланцюгами (5´-3´ і 3´-5´), які, сполучаючись нітратними основами, утворюють вправо закручену подвійну спіраль; нітратні основи з’єднуються водневими зв’язками за принципом комплементарності (доповнювальної відповідності А-Т і Г-Ц); між А і Т утворюються 2 водневі зв’язки, між Г і Ц – 3; товщина спіралі дорівнює 2 нм; відстань між сусідніми нуклеотидними парами – 0,34 нм; 1 крок (виток) спіралі вміщує 10 нуклеотидних пар і становить 3,4 нм;

модель просторової структури ДНК запропонована американським біохіміком Дж. Уотсоном і англійським генетиком Ф. Кріком у 1953 році (на основі закономірностей кількісного вмісту залишків нітратних основ у ДНК, виявлених американським біохіміком Е. Чаргаффом у 1950 році: А=Т, Г=Ц, А+Г=Т+Ц);

• РНК одноланцюгова; розрізняють 3 форми:

1. інформаційна РНК (іРНК) або матрична РНК (мРНК) – лінійні молекули дещо закручуються з участю водневих зв’язків; з іРНК «зчитується» інформація під час синтезу білка;

2. транспортна РНК (тРНК) – молекули мають форму «листка конюшини», яка підтримується водневими зв’язками; на верхівці «листка» є триплет нуклеотидів – антикодон (комплементарний до кодона певної амінокислоти в іРНК), а в основі «листка» – ділянка, що приєднує цю амінокислоту; для кожної амінокислоти є відповідна тРНК, яка транспортує її до місця синтезу білка;

3. рибосомальна РНК (рРНК) – молекули є компонентами щільно укладених нуклеопротеїдних комплексів, що утворюють субодиниці рибосом (ця структура є одночасно і третинною); забезпечує розташування іРНК і тРНК на рибосомі;

• третинна структура (просторова конфігурація):

  • молекули ДНК у складі хроматину вторинно спіралізуються і конденсуються з утворенням хромосом (це явище називається суперспіралізацією хроматину);

  • молекули тРНК набувають вигнутої (L-подібної) форми.

У деяких вірусів ДНК може бути одноланцюгова, а РНК – дволанцюгова.

Реплікація ДНК – процес самоподвоєння молекули ДНК, що відбувається з участю фермента ДНК-полімерази.

Молекула ДНК з одного кінця розкручується – утворюється реплікативна вилка. На кожен із полінуклеотидних ланцюгів приєднується фермент, і починається синтез комплементарних дочірніх ланцюгів. Причому, на ланцюгу 3´-5´ антипаралельний ланцюг 5´-3´ нарощується безперервно, а на ланцюгу 5´-3´ антипаралельний ланцюг 3´-5´ нарощується фрагментами (фрагментами Оказакі), які пізніше «зшиваються» лігазами (нарощування полінуклеотидного ланцюга може відбуватись тільки у напрямку 5´-3´).

Реплікація ДНК – напівконсервативний процес, оскільки кожна дочірня молекула містить один ланцюг від материнської молекули, а другий – новоутворений.

Генетичний код – механізм запису амінокислотної послідовності білків через нуклеотидну послідовність ДНК (РНК).

Кожна амінокислота кодується у ДНК чи РНК послідовністю 3х нуклеотидів – триплетом або кодоном (4х різних нуклеотидів чи різних комбінацій із 2х нуклеотидів не вистачило б, щоб закодувати 20 амінокислот).

Є 64 різні кодони: 61 – це кодони 20 амінокислот (метіонін і триптофан кодуються 1 кодоном, решта амінокислот – 2, 3, 4 і 6 кодонами) а 3 (в РНК – УАГ, УАА, УГА) – це нонсенс-кодони або стоп-кодони (не кодують жодної амінокислоти, виконують функцію сигналів про закінчення синтезу поліпептидного ланцюга).

Властивості генетичного коду:

• універсальність – код однаковий для всіх живих організмів;

• триплетність – 1 амінокислота кодується 3 нуклеотидами (триплетом, кодоном);

• однозначність – кожен кодон (крім нонсенс-кодонів) кодує 1 амінокислоту;

• виродженість – кожна амінокислота (крім метіоніну і триптофану) кодується більше, ніж 1 кодоном;

• односпрямованість – код «зчитується» з полінуклеотидного ланцюга лише в напрямку 5´-3´;

• неперервність – між триплетами немає розділяючих ланок;

• неперекритність – після «зчитування» одного триплета «зчитується» наступний (при цьому не відбувається «зсув рамки» на нуклеотиди вже «зчитаного» триплета).

АТФ

АТФ (аденозинтрифосфорна кислота, аденозинтрифосфат) – нуклеотид, який складається із залишка нітратної основи аденіну, залишка пентози рибози та 3х залишків фосфорної кислоти (між залишками фосфорної кислоти утворюються макроергічні зв’язки, що за енергоємністю у кілька разів перевищують звичайні ковалентні зв’язки).

АТФ є універсальним акумулятором енергії в клітинах:

• при відщепленні від АТФ 1 залишка фосфорної кислоти (1Ф) утворюється АДФ (аденозиндифосфорна кислота, аденозиндифосфат) і вивільняється 42 (30,6) кДж/моль енергії (така ж кількість енергії затрачається при утворенні АТФ із АДФ і 1Ф);

• при відщепленні від АТФ 2 залишків фосфорної кислоти (2Ф) утворюється АМФ (аденозинмонофосфорна кислота, аденозинмонофосфат) і вивільняється 84 (61,2) кДж/моль енергії (така ж кількість енергії затрачається при утворенні АТФ із АМФ і 2Ф).

АТФ утворюється в результаті реакцій дисиміляції і використовується для реакцій асиміляції. Механізм утворення АТФ і природа макроергічних зв’язків вивчені недостатньо.