13.Структурная организация нуклеиновых кислот. Характеристика первичной структуры днк. Формы двойной спирали днк. Связи, стабилизирующие структуры днк. Принцип комплементарности.
В каждом живом организме присутствуют 2 типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Молекулярная масса самой "маленькой" из известных нуклеиновых кислот - транспортной РНК (тРНК) составляет примерно 25 кД. ДНК - наиболее крупные полимерные молекулы; их молекулярная масса варьирует от 1 000 до 1 000 000 кД. ДНК и РНК состоят из мономерных единиц - нуклеотидов, поэтому нуклеиновые кислоты называют полинуклеотидами. Первичная структура ДНК - порядок чередования дезоксирибонуклеозидмонофосфатов (дНМФ) в полинукпеотидной цепи.Каждая фосфатная группа в полинукпеотидной цепи, за исключением фосфорного остатка на 5'-конце молекулы, участвует в образовании двух эфирных связей с участием 3'- и 5'-углеродных атомов двух соседних дезоксирибоз, поэтому связь между мономерами обозначают 3', 5'-фосфодиэфирной.Концевые нуклеотиды ДНК различают по структуре: на 5'-конце находится фосфатная группа, а на 3'-конце цепи - свободная ОН-группа. Эти концы называют 5'- и 3'-концами. Линейная последовательность дезоксирибонуклеотидов в полимерной цепи ДНК обычно сокращённо записывают с помощью однобуквенного кода, например -A-G-C-T-T-A-C-A- от 5'- к 3'-концу.В каждом мономере нуклеиновой кислоты присутствует остаток фосфорной кислоты. При рН 7 фосфатная группа полностью ионизирована, поэтому in vivo нуклеиновые кислоты существуют в виде полианионов (имеют множественный отрицательный заряд). Остатки пентоз тоже проявляют гидрофильные свойства. Азотистые основания почти нерастворимы в воде, но некоторые атомы пуринового и пиримидинового циклов способны образовывать водородные связи.Двойная спираль ДНК. Молекулы ДНК состоят из двух антипараллельных цепей с комплементарной последовательностью нукпеотидов. Цепи закручены относительно друг друга в правозакрученную спираль так, что на один виток приходится примерно 10 пар нуклеотидов. Принцип комплементарности используется в синтезе ДНК. Это строгое соответствие соединения азотистых оснований, соединёнными водородными связями, в котором: А-Т (Аденин соединяется с Тимином) Г-Ц (Гуанин соединяется с Цитозином)
14.Структура, свойства и функции матричных, рибосомальных и транспортных рнк.
Рибонуклеи́новая кислота́ (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов. Структурная организация мРНК. мРНК – наиболее гетерогенный в отношении размеров и стабильности класс РНК. Содержание мРНК в клетках составляет 2-6 % от тотального количества РНК. мРНК, особенно эукариотические, обладают некоторыми специфическими структурными особенностями. мРНК состоят из участков – цистронов, определяющих последовательность аминокислот в кодируемых ими белках, и нетраслируемых областей на концах молекулы. Для цистронных областей характерно уникальная последовательность нуклеотидов, определяемая нуклеотидной последовательностью гена, нетраслируемые области имеют некоторые общие закономерности строения. Так, на 5′ - конце всех эукариотических мРНК имеется особая структура, называемая кэпом (от англ. сap – шапка). Кэп представляет собой 7 – метилгуанозинтрифосфат, присоединенный к 5′ - гидроксилу концевого остатка мРНК посредством трифосфатной связи. Образование кэпа происходит ферментативным путем в ядре еще до завершения транскрипции. Считается, что кэп, с одной стороны, предохраняет 5′ - конец мРНК от ее расщепления экзонуклеазами, с другой стороны, используется для специфического узнавания при трансляции. За кэпом следует прецистронный нетранслируемый участок, в котором (3-15 нуклеотидов до инициирующего кодона) располагается последовательность нуклеотидов, комплементарная последовательности рРНК. Ее роль – обеспечение правильного взаимодействия 5′ - конца с рибосомой. Завершается цистрон терминирующим кодоном, за которым следует постцистронный нетраслируемый участок, имеющий в своем составе характерный для многих видов гексануклеотид ААУААА. У большинства мРНК 3′ - конец содержит полиаденилатную цепочку из 100-250 адениловых нуклеотидов, не являющуюся результатом транскрипции, а присоединяющуюся к мРНК входе созревания в ядре ферментативным путем. Предполагается, что полиаденилатная последовательность отвечает за поддержание внутриклеточной стабильности мРНК, определяет ее время существования.
мРНК обладают сложной вторичной структурой, обеспечивающей выполнение ими матричной функции в ходе трансляции. Показано, что в целом в линейной молекуле мРНК формируется несколько двухспиральных шпилек, на концах которых, на концах которых располагаются «знаки» инициации и терминации трансляции.
Структурная организация тРНК. Транспортные РНК выполняют функции посредников (адапторов) в ходе трансляции мРНК. Каждой из 20 протеиногенных аминокислот соответствует своя тРНК. Для некоторых аминокислот, кодируемых двуямя и более кодонами, существует несколько тРНК.тРНК представляют собой сравнительно небольшие одноцепочечные молекулы, состоящие из 70-93 нуклеотидов. Их молекулярная масса составляет (2,4-3,1) ∙ 104 кДа. На долю тРНК приходится примерно 15% суммарной клеточной РНК.
К настоящему времени установлена нуклеотидная последовательность почти для 300 тРНК, выделенных из разных видов организмов и обладающих разной аминокислотной специфичностью. Несмотря на различия нуклеотидной последовательности все тРНК имеют много общих черт. Во всех тРНК 8 или более нуклеотидов содержат различные минорные модифицированные основания (всего около 60), многие из которых представляют собой метилированные пуриновые или пиримидиновые основания. Обязательными минорными компонентами для всех тРНК являются дигидроуридин и псевдоуридин. В большинстве тРНК на 5′ - конце находится остаток гуаниловой кислоты, на 3′ - конце всех тРНК, называемом акцепторным, обязательным является тринуклеотид – ЦЦА (3′). Некоторые модифицированные нуклеозида в тРНК представлены ниже.
Вторичная структура тРНК формируется за счет образования максимального числа водородных связей между внутримолекулярными комплементарными парами азотистых оснований. В результате образования этих связей полинуклеотидная цепь тРНК закручивается с образованием спирализованных ветвей, заканчивающихся петлями из неспаренных нуклеотидов. Пространственное изображение вторичных структур всех тРНК имеет форму клеверного листа (рис. 6).
В «клеверном листе» различают 4 обязательные ветви, более длинные тРНК, кроме того, содержат короткую петлю (дополнительную ветвь).
Адапторную функцию тРНК обеспечивают акцеторная ветвь, к 3′ - концу которой присоединяется эфирной связью аминокислотный остаток, и противостоящая акцепторной ветви антикодоновая ветвь, на вершине котрой находится петля, содержащая антикодон. Антикодон представляет собой специфический триплет нуклеотидов, который комплементарен в антипараллельном направлении кодону мРНК, кодирующему соответствующую аминокислоту.
Т-ветвь, несущая петлю псевдоуридина, обеспечивает взаимодействие тРНК с рибосомами. Д-ветвь, несущая дегидроуридиновую петлю, вероятнее всего, обеспечивает взаимодействие тРНК с соответствующей аминоацил – тРНК- синтетазой. Функции пятой дополнительной ветви пока мало исследованы, вероятнее всего, она уравнивает длину разных молекул тРНК.
Третичная структура тРНК компактна и образуется путем сближения отдельных ветвей клеверного листа за счет дополнительных водородных связей и стэкинг-взаимоденйствий, с образованием L-образной структуры «локтевого сгиба» (рис. 7).
При этом акцепторное плечо, связывающее аминокислоту, оказывается расположенным на одном конце молекулы, а антикодон – на другом. Третичные структуры всех тРНК настолько похожи, что смесь различных тРНК образует кристаллы. В тоже время имеющиеся в пространственной структуре незначительные отличия обеспечивают специфическое узнавание тРНК соответствующими аминоацил-тРНК-синтетазами.
Структура рибосомных РНК и рибосом. Рибосомные РНК формируют ту основу, с которой связываются специфические белки при образовании рибосом. Рибосомы – это нуклеопротеиновые органеллы, обеспечивающие синтез белка на мРНК-матрице. Число рибосом в клетке очень велико: от 104 у прокариот до 106у эукариот. Локализуются рибосомы, главным образом, в цитоплазме, у эукариот, кроме того, в ядрышке, в матриксе митохондрий и строме хлоропластов. Рибосомы состоят из двух субчастиц: большой и малой. По размерам и молекулярной массе рибосомы делят на 3 группы – 70 S рибосомы прокариот, состоящие из малой 30 S и большой 50 S субчастиц, 80 S рибосомы эукариот, состоящие из 40 S малой и 60 S большой субчастиц, и рибосомы митохондрий и хлоропластов, которые в общем относят к классу 70 S, однако они различаются по коэффициентам седиментации у разных групп эукариот. Малая и большая субъединицы рибосом про- и эукариот образованы молекулами рРНК и белками (см. рис. 17).
Вторичная структура рРНК образуется за счет коротких двухспиральных участков молекулы – шпилек. Около 2/3 рРНК организовано в шпильки, 1/3 – представлена однотяжевыми участками, богатыми пуриновыми нуклеотидами, с которыми преимущественно связываются белки. Белки рибосом обладают основным характером, выполняют как структурную, так и ферментативную роль.
Исследования последних лет показали, что рибосомные РНК являются не только структурными компонентами рибосом, но и обеспечивают правильное связывание их с определенной нуклеотидной последовательностью мРНК, устанавливая тем самым начало и рамку считывания при образовании полипептидной цепи. Кроме того, рРНК участвуют в обеспечении взаимодействия рибосом с тРНК.