6. Нуклеиновые кислоты.

1) Определение: непериодические линейные гетерополимеры, состоящие из мононуклеотидов.

2) Классификация.

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

ДНК РНК

ядерная цитоплазматические

ДНК ДНК ДНК и-РНК т- РНК р- РНК

пластид мито- плазмид

хондрий

Комментарии:

- плазмиды – встречающиеся в цитоплазме бактерий мелкие кольцевые молекулы ДНК, кодирующие определенные признаки (устойчивость к антибиотикам и др.); обладают способностью встраиваться в ДНК хромосом; широко используются в генной инженерии для интеграции того или иного гена в бактериальный геном

3) Структурные элементы.

а) азотистые основания

- пуриновые (аденин, гуанин)

- пиримидиновые (тимин, цитозин, урацил)

б) пятиуглеродные моносахариды (пентозы, в циклической форме)

- рибоза

- дезоксирибоза

в) фосфорная кислота

4) Структурные блоки.

- структурным блоком (мономером) нуклеиновых кислот являются

мононуклеотиды

- общая схема строения мононуклеотида: азотистое основание - пентоза - остаток фосфорной кислоты; соединение азотистого основания с пентозой называется нуклеозидом

- химическая структура мононуклеотида (рис)

- список мононуклеотидов ДНК (входящая в структуру их молекулы пентоза представлена дезоксирибозой): АМФ, ГМФ, ЦМФ, ТМФ

- список мононуклеотидов РНК (входящая в структуру их молекулы

пентоза представлена рибозой): АМФ, ГМФ, ЦМФ, УМФ

5) Реакция полимеризации и химическая структура полимера (полинуклеотида)

- сущность реакции: в результате взаимодействия гидроксильной группы

при С3”- атоме пентозы одного мононуклеотида и остатка фосфорной кислоты, присоединенного к С5”-атому пентозы другого мононуклеотида между мономерами образуется фосфодиэфирная связь (фосфатный мостик); отщепившаяся гидроксильная группа, соединяясь с Н, образует воду.

- химическая структура полинуклеотида

Молекула полинуклеотида характеризуется полярностью - имеет два различных конца: С3”- конец (гидроксильный), содержащий свободную гидроксильную группу и С5”- конец (фосфатный), содержащий свободный остаток фосфорной кислоты.

- рост полинуклеотидных цепей (ДНК, РНК) в хроматиновых структурах ядра и ядрышка происходит с С3”- конца.

6) ДНК

а) строение однонитчатого полимера

однонитчатая молекула ДНК характеризуется:

- ориентацией (направлением; условно принято началом цепи считать С3”- конец, а концом - С5”- конец); данная особенность строения полинуклеотидной молекулы обусловлена несимметричностью фосфатного мостика: с одной стороны он связан с С5”- концом дезоксирибозы “своего” мононуклеотида, с другой - с С3”- концом дезоксирибозы “соседнего” мононуклеотида.

- полярностью (см. выше)

- первичной структурой - последовательностью мононуклеотидных остатков

б) строение двунитчатого полимера

двунитчатая молекула ДНК характеризуется:

- антипараллельностью - 2 нити ориентированы в противоположных направлениях, в результате чего С3”- конец одной цепи находится против С5”- конца другой нити

- комплементарностью:

= противолежащие азотистые основания двух цепей сочетаются между собой по правилу спаривания оснований: аденин (пуриновое основание) всегда связан с тимином (пиримидиновое основание), гуанин (пуриновое основание) всегда связан с цитозином (пиримидиновое основание); при этом обнаружена следующая закономерность: независимо от количественного соотношения пар А-Т и Г-Ц в молекуле сумма всех пуриновых оснований равна сумме всех пиримидиновых оснований (А+Г = Ц+Т или А+Г/ Ц+Т=1) (закон

Э. Чаргаффа).

= причина закономерного спаривания оснований заключается в том, что именно между этими азотистыми основаниями (А и Т, Г и Ц) имеется наиболее полное геометрическое соответствие (“ключ-замок”); кроме того показано, что эти пары оснований являются наиболее выгодными в энергетическом отношении

= противолежащие азотистые основания связаны между собой с помощью водородных связей (между А и Т – 2 связи, между Ц и Г – 3 связи)

в) конформация

- вторичная структура

= двойная правозакрученная спираль (диаметр 2 нм)

= стабилизирующие силы: водородные связи, гидрофобные взаимодействия (в центральной области спиральной молекулы собраны неполярные химические группировки, отсутствует вода)

- третичная структура

= различные суперспирали, шпильки и др. конфигурации

г) репликация (самоудвоение)

- способность к репликации является уникальным свойством ДНК

- репликация ДНК представляет собой частный случай матричного синтеза, при котором одна молекула поэтапно (“мономер к мономеру”) собирается на поверхности другой

- участники процесса: ДНК (играет роль матрицы и “затравки” реакции), нуклеозидтрифосфаты (АТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ; являются одновременно предшественниками мононуклеотидов и носителями энергии, необходимой для их полимеризации), фермент ДНК-полимераза (катализирует реакцию полимеризации мономеров, работает в направлении 5” ---- 3”), фермент ДНК-геликаза (расплетает двойную спираль ДНК), ДНК-лигаза (сшивает фрагменты ДНК в единую цепь), дестабилизирующие белки (обеспечивают поддержание определенной структуры репликационной вилки)

- механизм репликации (по стадиям):

= раскручивание двойной спирали молекулы ДНК и образование репликационной вилки (катализируется ДНК-геликазой)

= синтез одиночных полинуклеотидных цепей: непрерывной (лидирующей) на цепи 5”... и коротких фрагментов на цепи 3”... (катализируется ДНК-полимеразой)

= сшивание фрагментов в одиночную цепь (катализируется ДНК-лигазой)

- скорость процесса: 1000 нуклеотидов в сек у прокариот, 100 нуклеотидов в сек у эукариот; однако, если принять во внимание, что в ДНК эукариот репликация идет сразу в нескольких точках (в отличие от ДНК прокариот, в которой одна точка репликации), суммарная эффективность данного процесса является очень высокой (пр.: в ДНК человека насчитывается около 50000 точек репликации, благодаря чему вся молекула удваивается за 7-12 час)

- тип репликации: полуконсервативный (после раскручивания цепей исходной молекулы ДНК на каждой “старой” цепи синтезируется комплементарная ей “новая” цепь); в результате из одной молекулы получается две, каждая из которых состоит из одной “старой” и одной “новой” цепей

- процесс репликации осуществляется с большой точностью; ошибки, встречающиеся изредка в данном процессе (мутации), частично исправляются специальными ферментами - 3,5-экзонуклеазами (интересно отметить, что они являются элементом сложного молекулярного ансамбля - репликативного комплекса, в состав которого также входит ДНК-полимераза, ДНК-геликаза, ДНК-лигаза и др. факторы); “неизлеченные” мутации служат источником наследственной изменчивости и материалом для естественного отбора

7) РНК

а) виды:

- информационные РНК (и-РНК); поскольку и-РНК “переносят” информацию со структурных генов ДНК на полипептидную молекулу, их число соответствует числу белков в клетке

- рибосомные РНК (р- РНК); у прокариотических организмов имеется 3 разновидности р- РНК, у эукариотических - 4)

- транспортные РНК (т-РНК)

= обнаружено 60 разновидностей т-РНК (избыточное число типов т-РНК, связывающих одну и ту же аминокислоту, отражает принцип избыточности генетического кода и направлено на повышение точности включения данной аминокислоты в полипептидную цепочку и тем самым повышение помехоустойчивости процесса трансляции

= в состав молекулы т-РНК входит 75-95 мононуклеотидных остатков

= первичная структура - индивидуальная для каждой разновидности

т-РНК

= вторичная структура - “клеверный лист” (структурные элементы:

спиральные и неспиральные участки, центр для связывания аминокислоты, центр для взаимодействия с кодоном и-РНК - антикодон)

= третичная структура - L-форма

- малые ядерные РНК (обладают каталитической активностью, играют важную роль в процессе преобразования пре-и-РНК в и-РНК)

8) Функции нуклеиновых кислот и других веществ нуклеиновой природы

а) генетическая (хранение и передача наследственной информации в ряду клеточных генераций или поколений организмов (ДНК, реже - РНК , у РНК-содержащих вирусов)

б) участие в биосинтезе белка (в структурных генах ДНК записана информация о первичной сруктуре полипептида, и-РНК является переносчиком информации с ДНК на белки, т-РНК доставляет аминокислоты к месту сборки белковой молекулы - рибосомам)

в) структурная функция (р-РНК выполняет роль молекулярного скелета

в каждой субъединице рибосомы)

г) являются переносчиками определенных химических групп (НАД переносит Н⁺)

д) каталитическая (малые ядерные РНК выступают в роли катализаторов в реакциях превращения пре-и-РНК в и-РНК)

е) являются коферментами многих ключевых ферментов метаболизма

(НАД, НАДФ)

ж) выполняют функцию аккумуляторов и переносчиков энергии в клетке

(АТФ и другие нуклеозидтрифосфаты)

з) выступают в роли внутриклеточных гормонов - специальных химических сигналов, опосредующих действие “больших” гормонов (вырабатываемых железами внутренней секреции) на те или иные функциональные системы клетки (циклические мононуклеотиды - ц-АМФ и ц-ГМФ)

Комментарии: 1) в молекуле АТФ энергия запасается в макроэргических связях между I и II, II и III фосфатными остатками; 2) в структуру молекулы АТФ входит рибоза, которая, в отличии от дезоксирибозы, имеет свободную гидроксильную группу, придающую молекуле в целом большую реакционную способность, что представляется важным для осуществления ее функций.

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Признаки	ДНК	РНК
Топография в ядре	хроматиновые структуры, частично – ядрышко (ядрышковый хроматин)	ядрышко, нуклеоплазма
Топография в цитоплазме	митохондрии, пластиды, плазмиды	Рибосомы, гранулярная ЦПС, митохондрии, пластиды, гиалоплазма
Химическая структура мономеров; виды мономеров	азотистое основание - дезоксирибоза – фосфат; АМФ, ГМФ, ЦМФ, ТМФ	азотистое основание - рибоза - фосфат; АМФ, ГМФ, ЦМФ, УМФ
Структура макромолекулы	двойная правозакрученная спираль	более сложная и разнообразная; существуют однонитевые полинуклеотиды и полинуклеотиды, в молекуле которых однонитевые участки чередуются с двунитевыми спирализованными участками
Способность к репликации	обладает	Обладает (у РНК- содержащих вирусов)
Химическая стабильность	высокая	сравнительно низкая
Функции	хранение и передача наследственной информации в ряду клеточных генераций или поколений организмов; участие в биосинтезе белков (ДНК структурных генов – матрица для синтеза и-РНК)	РНК (генетическая функция у РНК-содержащих вирусов) и-РНК - перенос информации от структурных генов к белкам р-РНК - структурная функция т-РНК - связывание аминокислот, их транспорт к рибосомам, участие в сборке полипептида на матрице и-РНК