Варианты днк
Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) обычно локализуются в ядре и митохондриях, что и лежит в основе их деления.
Принципы строения их молекул однотипны. Как любой биополимер имеют несколько уровней организации: первичную – двойную полинуклеотидную нить, состоящую из дезоксирибонуклеозидфосфатов, связанных фосфодиэфирными связями; вторичную – полученную в результате спирализации; третичную – суперспиралированную структуру. Но так как они сильно отличаются по массе, то и в деталях их строения имеется много отличий.
М
итохондриальную
ДНК иногда называют 25–ой хромосомой,
ее значения не превышают 5% от общего
количества ДНК; в каждой органелле
содержится 5-10 ее копий. Это довольно
маленький биополимер: его первичную
структуру составляют 16569 пар мононуклеотидов.
Облигатной чертой ДНК эукарит является
спаренность нитей за счет комплементарности.
Первым эту особенность заметилChargaff
в 1949 г. Он обратил внимание, что часть и
пиримидиновых, и пуриновых оснований
включает или кето- или аминогруппы,
между которыми за счет наличия водорода
в последней могут образовываться
водородные связи. Его первый постулат:
молярная доля пуринов равна молярной
доле пиримидинов и это логично
– две нити будут параллельны только
тогда, если против крупной структуры
(пурина) встанет маленькая (пиримидин).
Если подобная ситуация создастся между
двумя пуринами – им будет тесно, а
пиримидинам – просторно, что не будет
способствовать возникновению водородных
связей. Во-вторых, для этого необходимо,
чтобы против кетогруппы стояла
аминогруппа, то есть их число должно
быть равным
Исходя из выше сказанного, третьим положением и будет: А = Т, а Г = Ц (схема).
В целом, первичная структура ДНК представляет нить, образованную фосфодиэфирными связями между мононуклеотидами одной цепи и водородными между противоположными. (см. Приложение, схема 2). Кроме того, рядом лежащие гидрофобные ароматические основания за счет различных по плотности электронных облаков способны взаимодействовать друг с другом, создавая так называемые стекинг-взаимодействия, а фосфаты, являясь заряженными группами, вступают в ионные связи с различными катионами (металлов, основными белками, полиаминами).
Схема. Водородные связи между основаниями в ДНК.
Характеризуя митохондриальную ДНК следует заметить, что в первичной структуре отсутствуют интроны, в ее кодогенах (триплетах - комплементарных смысловым кодонам иРНК) нередки отклонения от генетического кода. Вторичная структура - хорошо спирализованное образование. Третичная - представляет кольцевой дуплекс, то есть концы сдвоенной нити сближены и соединены между собой. ДНК митохондрий содержит информацию не обо всех белках этих органоидов (см. «Патохимия наследственных болезней» С. 18).
Самая большая молекула, содержащая в клетках, это ядерная ДНК. Если ее вытянуть до первичной структуры, длина составит около 8 см (!). Этот уровень организации включает различные гены (транскриптоны, регуляционные и т.д.), палиндромы. Последние представляют фрагменты нитей, одна половина которой комплементарна второй, при их сближении друг с другом за счет возникновения водородных связей образуются шпильки, к которым крепятся различные белки (регуляторные, каталитические).
Первичная структура включает и минорные основания, о вероятной роли которых было написано выше.
Как замечено раньше, нить с одного конца фосфорилирована (5’ –конец), на другом расположена свободная 3’–ОН группа дезоксирибозы (3’ – конец). Когда две нити связаны одной ДНК, то они антипараллельны - каждый конец цепи имеет 3’ и 5’ концы.
Ядерная ДНК хорошо спирализована - это правозакрученная спираль, шаг которой равен 3,4 нм, диаметр составляет 2 нм, 1 виток включает 10 мононуклеотидов и полюс шпильки. Подобная конформация известна как В-форма и обычна для клетки. Но молекула ДНК может менять свою упаковку в зависимости от условий: быть более сплющенный (А-форма), зигзагообразный (Z-форма).
Важным свойством двойной спирали ДНК является ее способность изгибаться. Молекула ее в миллион раз длиннее, чем ядро или клетка и чтобы поместиться в них, она должна быть гибкой, что приводит к суперспирализации , т.е. третичная структура представляет дальнейшее закручивание двойной нити вокруг положительно заряженных белков - гистонов. Последние образуют октамерный (восемь, т.е 4 пары Н2а, Н2в, Н3, Н4 гистонов) протеиновый комплекс, называемый нуклеосомой, вокруг которого молекула ДНК совершает два оборота (схема).
Схема. Модель упаковки ДНК
Участок ДНК, расположенный между рядом лежащими нуклеосомами и включающий 30-40 пар мононуклеотидов (в отличие от 200 пар, окружающих катушку), - называют линкерным. Считают, что он связан с Н1-гистонами. Подобная упаковка доводит до стократного уменьшения молекулы. В дальнейшем подобные нити образуют петли, что увеличивает компактность; за счет дополнительной спирализации и обеспечивается 10000-кратная конденсация ДНК.
Физико-химические и биологические свойства нуклеиновых кислот
Значительное содержание фосфора (имеющий значительный атомный вес), плотная, особенно у ДНК упаковка обуславливают высокую плотность, достигающую 1,7 у ядерной ДНК. За счет спирализации, а у ДНК - удвоения нитей поверхности молекул полинуклеотидов образованы полярными участками пентоз и фосфатов, что, во-первых, обеспечивает им хорошую растворимость, а во-вторых - создает кислую среду. Комплексирование же нуклеиновых кислот (полианионов) с белками (поликатионами) снижает величину заряда нуклеопротеида, тем самым уменьшает его способность растворяться.
Чем больше их молекулярная масса, тем выше их плотность, вязкость растворов, измеряются осмотическое и онкотическое давление. Как молекулы белков, которые под действием факторов, разрывающих добавочные связи (Приложение, схема 1), денатурируют, так и в нуклеиновых кислотах под влиянием повышенной температуры (85 – 1000), лучевой энергии, ультразвука, химических реагентов, изменяющих рН, происходит подобное явление (денатурация). Однако, если действие фактора кратковременное и неглубокое, то вполне вероятно восстановление поврежденных связей (гибридизация).
Самая крупная молекула ядерной ДНК - хрупкая, довольно легко ломается, например, под действием ультразвука.
Среди биологических свойств ДНК следует выделить:
Репликацию - её способность работать в качестве матрицы, т.е. на материнской нити синтезируется новая ядерная ДНК.
Транскрипцию - способность участков ДНК служить матрицей в синтезе РНК.
Обратную транскрипцию - способность фрагментов ДНК образовываться на базе РНК.
Модификацию - способность ДНК преобразовывать включенные в ее состав ароматические основания путем метилирования, гидрирования.
Рестрикцию - возможность с помощью различных нуклеаз вычленять отдельные фрагменты из состава ДНК.
Репарацию - способность восстанавливать поврежденные участки ДНК.
Интеркаляцию - возможность ароматического основания какого-либо участка ДНК или другого вещества (антибиотика и т.д.) внедриться между двумя соединениями, вначале разорвав соединение, а позднее образовав новые стекинг-взаимодействия.
Катаболическая фаза обмена нуклеотидов
Распад нуклеотидов в тканях и ЖКТ
Любая животная или растительная пища включает нуклеопротеиды (см. Приложение, таблица 2); продукты, попадая в ротовую полость, подвергаются механической переработке, в желудке сложные белки начинает разрушать соляная кислота (схема). Ее подобное свойство обусловлено тем, что изначально образование данных протеинов связано с особенностями строения входящих в их состав компонентов. Нуклеотиды за счет наличия в них фосфатов являются анионами, а в белках преобладают основные аминокислоты (лизин, арг) - что обеспечивает их щелочной характер (поликатионы). Объединение этих структур и происходит с помощью ионных связей. Соляная кислота, являясь сильным электролитом, легко их разрывает, и отделившиеся друг от друга вышеназванные соединения в других отделах ЖКТ подвергаются действию различных ферментов.
Полипептиды разрушаются с помощью протеаз (см выше), а cреди гидролаз, ответственных за распад нуклеотидов, можно выделить следующие их варианты: а) рибо- и дезоксирибонуклеазы - в зависимости от того, что служит субстратом: РНК или ДНК; б) экзо - и эндонуклеазы, разрушающие фосфодиэфирные связи у концов или в середине молекулы (схема).
Схема катаболизма полинуклеотидов пищи
Последовательное уменьшение длины молекулы полинуклеотида приводит к образованию мононуклеотида, который подвергается дефосфорилированию под действием щелочной фосфатазы. Продукт данной реакции - нуклеозид - легко всасывается, попадая в энтероцит, часть подобных гликозидов, в первую очередь, включающих пуриновые основания, преобразуются (дезаминируются, гидроксилируются) в мочевую кислоту. Соли последней - ураты экскретируются в просвет тонкого кишечника. Основная доля усвоившихся нуклеозидов по системе воротной вены попадает в печень. В гепатоцитах они разрушаются до конечных продуктов (пурины до уратов, пиримидины до мочевины, воды, СО2).
Схема гидролиза тканевых нуклеопротеидов во многом сходна с вышеописанными реакциями. Отличается только механизмом дефосфолирования. В клетках рН не имеет такого основного характера, как в полости тонкого кишечника, поэтому это действие производит не щелочная фосфатаза (она в этих условиях не активна), а 5’ - нуклеотидаза. Заканчивается разрушение эндогенных нуклеозидов в печени.