Тема 6. Нуклеїнові кислоти та біосинтез білка

План

1. Будова нуклеїнових кислот.

2. Відмінність ДНК від РНК.

3. Синтез білку.

1. Будова нуклеїнових кислот

Нуклеїнові кислоти є основними носіями передачі спадковості та беруть безпосередню участь у синтезі білків в організмі. Нуклеїнові кислоти є висомолекулярними сполуками. Вони побудовані з великої кількості структурних одиниць - нуклеотидів. Нуклеотиди складаються з пуринових або піримідинових основ, пентоз (рибози або дезоксирибози) і фосфорної кислоти.

Пуринові основи.

Окремі нуклеотиди, сполучаючись між собою, утворюють полінуклеотиди. Вони з'єднані між собою за допомогою фосфоефірного зв'язку, який утворюється внаслідок взаємодії гідроксильної групи, що знаходиться біля 3-го атома вуглецю пентози одного нуклеотида з залишком фосфорної кислоти, який знаходиться біля 5-го атома вуглецю пентози другого нуклеотида.

ДНК - Дезоксирибонуклеїнова кислота.

ДНК є основним генетичним матеріалом живих систем і в організмах, як правило, сконцентрована в ядрах клітин. Характерною ознакою ДНК є висока її молекулярна маса. Вона коливається від 2 млн до сотень мільярдів дальтон.

Для ДНК властиві кілька рівнів структур, первинна, вторинна, третинна.

Первинна структура ДНК - це порядок (певна послідовність) розміщення нуклеотидів у полінуклеотидних ланцюгах ДНК. Унікальність кожної ДНК визначається саме послідовністю розміщення нуклеотидів.

1. Сума пуринових нуклеотидів дорівнює сумі піримідинових.

2. Молярний вміст аденіну дорівнює тиміну, а гуаніну - цитозину.

Вторинна структура - просторова конфігурація полінуклеотидних ланцюгів ДНК становить її вторинну структуру. Модель структури молекули ДНК вперше була запропонована вченими Кембриджського університету (Англія) Дж. Уотсоном і Ф. Кріком у 1953 р. Відповідно до неї, молекула ДНК це подвійна спіраль, тобто вона складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, які закручені правильними витками навколо однієї спіральної осі. Без розкручування вони не можуть відокремитись одна від одної. Полінуклеотидні ланцюги ДНК розміщені антипаралельно: 5-кінець полінуклеотидного ланцюга знаходиться напроти 3-кінця другого ланцюга. Вони обернені один до одного азотистими основами, а зовні розміщені залишки дезоксирибози і фосфорної кислоти.

Діаметр спіралі ДНК становить 2 мм, крок її 3,4 нм, кожний виток спіралі містить 10 пар нуклеотидів так, що кожна пара їх займає 0,34 нм по осі спіралі. Стабілізація подвійної спіралі здійснюється за рахунок водневих зв'язків і гідрофобних взаємодій Аденін одного полінуклнотидного ланцюга завжди зв'язується двома водневими зв'язкамі з тиміном другого, а гуанін - трьома водневими зв'язками з цитозином. Ця закономірність називається комплементарністю (доповнюваністю). Важливе значення в стабілізації спіралі ДНК мають неполярні взаємодії за участю делокалізовоних тт-електронів азотистих основ. Разом з цим перекривання тг-електронних систем основ відбувається і в наслідок їх паралельного розміщення стопи всередині подвійної спіралі молекули ДНК. Так тт-електронна взаємодія між паралельно розміщеними основами або парами основ у молекулі ДНК (стекінг-взаємодія) становить єдину тт-електронну систему, яка стабілізує подвійну спіраль ДНК більше істотно, ніж водневі зв'язки.

Двоспіральна ДНК залежно від умов (вмісту води, іонної сили та ін.) може набувати певну конформацію.

Третинна структура ДНК - можуть бути зорієнтовані у просторі з утворенням спіралізованих і суперспіралізованих (соленоїдних) форм, тобто третинної структури. В результаті такої упаковки лінійні розміри ДНК зменшуються приблизно в 10 тис. разів.

РНК - рибонуклеїнові кислоти - виявлені майже в усіх клітинних фракціях. Найбільша кількість в рибосомах (до 80%).

Транспортні РНК (тРНК) - становлять 10-15% всіх РНК клітин. Вони локалізовані в основному в гіалоплазмі клітини, ядерному соку і в безструктурній частині мітохондрій та хлоропластів.

Характерною ознакою тРНК є їх невелика молекулярна маса - 20-35 тис дальтон. Основна функція тРНК - кодування і перенесення активованих амінокислот до місця біосинтезу білка (до рибосом). тРНК мають високу специфічність - кожна амінокислота має свою тРНК, тому кількість різних тРНК у клітині повинна дорівнювати кількості амінокислот.

Рибосомні РНК (рРНК) - зосереджені в рибосомах, де міцно зв'язані з Б. Молекулярна маса рРНК від 500 тис до 2 млн дальтон. Усі рРНК є структурною основою рибосом.

■ Інформаційна РНК (ІРНК) - становлять ~ 5% всієї маси клітинної РНК. їх молекулярна маса від 300 тис до 4 млн. дальтон. Кожна молекула іРНК під час синтезу в ядрі одержує інформацію від ДНК в формі скопійованої послідовності азотистих основ і переносить її на рибосоми, де ця інформація реалізується при біосинтезі білків. Кожний білок, що синтезується у клітині, кодується специфічною іРНК, яка з'єднується іонними зв'язками з білком і утворює рибонуклеолпротеїди.

Первинна структура РНК - така ж, як і у ДНК, але замість дезоксирибози - рибоза, а замість тиміну - урацил.

Вторинна структура РНК - на відміну від ДНК, побудовано з одного полінуклеотидного ланцюга, для якого властива своєрідна спіралізація. Полінуклеотидний ланцюг РНК закручується сам на себе, утворюючи водневі зв'язки між азотистими основами А-У, Г-Ц.

Характерною особливістю вторинної структури РНК є те, що полінуклеотидний ланцюг спіралізований не повністю, а спіралізація окремих ділянок ланцюга РНК менш досконала, немає повної відповідності в чергуванні комплементарних основ, що призводить до утворення виступів з окремих нуклеотидів на поверхні спіралізованих ділянок в межах одного ланцюга для різних РНК різна.

Третинна структура РНК - за кімнатної температури і в умовах низької іонної сили РНК має форму палички, з підвищенням іонної сили - форму компактного клубка.

2. Відмінність ДНК від РНК

1. ДНК - зберігає спадкову інформацію, РНК - реалізує інформацію, приймає участь у синтезі Б.

2. ДНК - в ядрі, РНК - в цитоплазмі та на рибосомах.

3. ДНК - від 2 млн. до 100 млрд. дальтон, РНК - від 300 тис. до 2 млн. дальтон.

ФА

ТТ

Г

Ц

4 ) ДНК- = =1 в РНК А-У, Г-Ц.

5. В РНК замість дезоксирибози - рибоза.

6. ДНК - двутяжний ланцюг; РНК - однотяжний ланцюг.

3. Біосинтез білка

Умови для реалізації процесу біосинтезу білка:

1. Наявність 20 видів амінокислот;

2. Наявність ДНК і всіх РНК;

3. Наявність енергії у формі АТФ;

4. Наявність відповідних ферментів;

5. Наявність вільного місця для біосинтеза білка - рибосом,

В організмі людини синтезуються мільйони різних білків. Вони відрізняються один від одного, насамперед, хімічною природою та послідовністю розташування залишків амінокислот у поліпептидних ланцюгах, тобто первинною структурою.

Інформація про те, яким повинен бути білок, закладено в ДНК у вигляді певної послідовності нуклеотидних залишків у полінуклеотидному ланцюгу. Оскільки ДНК знаходиться в ядрі, а біосинтез білка відбувається на

рибосимах, то ДНК передає інформацію щодо процесу синтеза білка через іРНК, яка синтезується на певній ділянці (гені) одного з нуклеотидних ланцюгів ДНК.

Процес копіювання даної інформації з ДНК на РНК називається транскрипцією, а в основі передачі інформації лежить принцип комплементарності. В ядрі під дією відповідних ферментів розкручується двутяжна спіраль ДНК і на одному з ланцюгів по принципу комплементарності за допомогою відповідних ферментів синтезується іРНК. У синтезованій іРНК послідовність нуклеотидів відповідає послідовності нуклеотидів в одному з полінуклеотидних ланцюгів ДНК. Відмінність полягає лише в тому, що замість тимідинового нуклеотиду в іРНК міститься уридиновий нуклеотид.

Далі іРНК, діставши інформацію від ДНК, виходить з ядра і переміщується до рибосом. На рибосомах іРНК реалізує цю інформацію в процесі синтезу білка. Іншими словами, на іРНК як на матриці відбувається синтез білка, первинна структура якого визначається інформацією, що іРНК дістала від ДНК. Процес передачі інформації з іРНК, яка полягає в певній послідовності нуклеотидів - три нуклеотида - триплет або кодон, що відповідає певній амінокислоті в первинній структурі білка - називається трансляцією.

Для синтезу білка використовуються активовані форми амінокислот, які перебувають у зв'язаному стані з відповідним тРНК. Останні переносять їх до місця синтезу білка - рибосом. Процес сполучання амінокислот із "своїми" РНК називають рекогніцією. тРНК також мають відповідний кодон і по принципу комплементарності знаходять місце своєї амінокислоти в поліпептидному ланцюгу Амінокислоти з'єднуються за допомогою відповідних ферментів.