По молекулярке / нукл кислоты 2 вопрос

Нуклеиновые кислоты.

Впервые нуклеиновые кислоты (НК) были обнаружены в 1869 г. швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером.

НК - это линейные неразветвленные гетерополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды, связанные фосфодиэфирными связями.

Нуклеотид состоит из:

1. азотистого основания

- пуриновые (аденин (А) и гуанин (Г) - их молекулы состоят из 2-х колец: 5-ти и 6-ти членного),

- пиримидиновые (цитозин (Ц), тимин (Т) и урацил (У) – одно шестичленное кольцо);

2. углевода (5-ти углеродное сахарное кольцо): рибоза или дезоксирибоза;

3. остатка фосфорной кислоты.

Существует 2 типа НК: ДНК и РНК. НК обеспечивают хранение, воспроизведение и реализацию генетической (наследственной) информации. Эта информация закодирована в виде нуклеотидных последовательностей. Последовательность нуклеотидов отражает первичную структуру белков. Соответствие между аминокислотами и кодирующими их нуклеотидными последовательностями называется генетическим кодом. Единицей генетического кода ДНК и РНК является триплет – последовательность из трех нуклеотидов.

	ДНК	РНК
Виды азотистых оснований	А, Г, Ц, Т	А, Г, Ц, У
Виды пентоз	β,D-2-дезоксирибоза	β,D-рибоза
Вторичная структура	Регулярная, состоит из 2-х комплементарных цепей	Нерегулярная, некоторые участки одной цепи образуют двойную спираль
Молекулярная масса (число нуклеотидных звеньев в первичной цепи) или от 250 до 1,2х10^5 kDa (килодальтон)	Порядка тысяч, миллионов	Порядка десятков и сотен
Локализация в клетке	Ядро, митохондрии, хлоропласты, центриоли	Ядрышко, цитоплазма, рибосомы, митохондрии и пластиды
Функции	Хранение, передача и воспроизведение в ряду поколений наследственной информации	Реализация наследственной информации

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – это нуклеиновая кислота, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды; это материнский носитель генетической информации. Т.е. вся информация о структуре, функционировании и развитии отдельных клеток и целостного организма записана в виде нуклеотидных последовательностей ДНК.

Первичная структура ДНК – одноцепочечная молекула (фаги).

Дальнейшая укладка макромолекулы полимера называется вторичной структурой. В 1953 г. Джеймс Уотсона и Френсис Крик открыли вторичную структуру ДНК – двойную спираль. В этой спирали фосфатные группировки находятся снаружи спиралей, а основания – внутри и расположены с интервалом 0,34 нм. Цепи удерживаются вместе водородными связями между основаниями и закручены одна вокруг другой и вокруг общей оси.

Основания в антипараллельных нитях за счет водородных связей образуют комплементарные (взаимодополняемые) пары: А=Т (2 связи) и Г≡Ц (3 связи).

Явление комплементарности в строении ДНК в 1951 г. обнаружил Эрвин Чаргафф.

Правило Чаргаффа: число пуриновых оснований всегда равно числу пиримидиновых (А+Г)=(Т+Ц).

Третичная структура ДНК – это дальнейшая укладка двуцепочечной молекулы в петли, благодаря водородным связям между соседними витками спирали (суперспирализация).

Четвертичная структура ДНК – это хроматиды (2 нити хромосомы).

Рентгенограммы волокон ДНК, впервые полученные Моррисом Уилкинсом и Розалиндой Франклин, указывают на то, что молекула обладает спиральной структурой и содержит более одной полинуклеотидной цепи.

Существует несколько семейств ДНК: А, В, С, D, Z–формы. В клетках обычно встречается В–форма. Все формы, кроме Z, правозакрученные спирали.

Репликация (самоудвоение) ДНК – это один из важнейших биологических процессов, обеспечивающих воспроизведение генетической информации. Репликация начинается с разделения двух комплементарных цепей. Каждая цепь используется в качестве матрицы для образования новой молекулы ДНК. В процессе синтеза ДНК участвуют ферменты. Каждая из двух дочерних молекул обязательно включает одну старую спираль и одну новую. Новая молекула ДНК абсолютно идентична старой по последовательности нуклеотидов. Такой способ репликации обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была записана в материнской молекуле ДНК.

В результате репликации одной молекулы ДНК образуется две новые молекулы, которые являются точной копией исходной молекулы – матрицы. Каждая новая молекула состоит из двух цепей – одной из родительских и одной из сестринских. Такой механизм репликации ДНК называется полуконсервативным.

Реакции, в которых одна молекула гетерополимера служит матрицей (формой) для синтеза другой молекулы гетерополимера с комплементарной структурой, называются реакциями матричного типа. Если в ходе реакции образуются молекулы того же вещества, которое служит матрицей, то реакция называется автокаталитической. Если же в ходе реакции на матрице одного вещества образуются молекулы другого вещества, то такая реакция называется гетерокаталитической. Таким образом, репликация ДНК (т.е. синтез ДНК на матрице ДНК) является автокаталитической реакцией матричного синтеза.

К реакциям матричного типа относятся:

- репликация ДНК (синтез ДНК на матрице ДНК),

- транскрипция ДНК (синтез РНК на матрице ДНК),

- трансляция РНК (синтез белков на матрице РНК).

Однако существуют и другие реакции матричного типа, например, синтез РНК на матрице РНК и синтез ДНК на матрице РНК. Два последних типа реакций наблюдаются при заражении клетки определенными вирусами. Синтез ДНК на матрице РНК (обратная транскрипция) широко используется в генной инженерии.

Все матричные процессы состоят из трех этапов: инициации (начала), элонгации (продолжения) и терминации (окончания).

Репликация ДНК – это сложный процесс, в котором принимает участие несколько десятков ферментов. К важнейшим из них относятся ДНК-полимеразы (несколько типов), праймазы, топоизомеразы, лигазы и другие. Главная проблема при репликации ДНК заключается в том, что в разных цепях одной молекулы остатки фосфорной кислоты направлены в разные стороны, но наращивание цепей может происходить только с того конца, который заканчивается группой ОН. Поэтому в реплицируемом участке, который называется вилкой репликации, процесс репликации протекает на разных цепях по-разному. На одной из цепей, которая называется ведущей, происходит непрерывный синтез ДНК на матрице ДНК. На другой цепи, которая называется запаздывающей, вначале происходит связывание праймера – специфического фрагмента РНК. Праймер служит затравкой для синтеза фрагмента ДНК, который называется фрагментом Оказаки. В дальнейшем праймер удаляется, а фрагменты Оказаки сшиваются между собой в единую нить фермента ДНК–лигазы. Репликация ДНК сопровождается репарацией – исправлением ошибок, неизбежно возникающих при репликации. Существует множество механизмов репарации.

Репликация происходит перед делением клетки. Благодаря этой способности ДНК осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним.

РНК (рибонуклеиновая кислота) – это нуклеиновая кислота, мономерами которой являются рибонуклеотиды.

В пределах одной молекулы РНК имеется несколько участков, которые комплементарны друг другу. Между такими комплементарными участками образуются водородные связи. В результате в одной молекуле РНК чередуются двуспиральные и односпиральные структуры, и общая конформация молекулы напоминает клеверный лист.

Азотистые основания, входящие в состав РНК, способны образовывать водородные связи с комплементарными основаниями и ДНК, и РНК. При этом азотистые основания образуют пары А=У, А=Т и Г≡Ц. Благодаря этому возможна передача информации от ДНК к РНК, от РНК к ДНК и от РНК к белкам.

В клетках обнаруживается три основных типа РНК, выполняющих различные функции:

1. Информационная, или матричная РНК (иРНК, или мРНК). Функция: матрица белкового синтеза. Составляет 5% клеточной РНК. Передает генетической информации от ДНК на рибосомы при биосинтезе белка. В эукариотических клетках иРНК (мРНК) стабилизирована с помощью специфических белков. Это делает возможным продолжение биосинтеза белка даже в том случае, если ядро неактивно.

мРНК представляет собой линейную цепь с несколькими областями с разной функциональной ролью:

а) на 5'-конце находится кэп («колпачок») – защищает мРНК от экзонуклеаз,

б) за ним идет нетранслируемый участок, комплементарный отделу рРНК, которая входит в малую субъединицу рибосомы,

в) трансляция (считывание) мРНК начинается с инициирующего кодона АУГ, кодирующего метионин,

г) за инициирующим кодоном следует кодирующая часть, которая содержит информацию о последовательности аминокислот в белке.

2. Рибосомная, или рибосомальная РНК (рРНК). Составляет 85% клеточной РНК. В соединении с белком входит в состав рибосом, определяет форму большой и малой рибосомных субъединиц (50-60S- и 30-40S-субъединиц). Принимают участие в трансляции – считывании информации с иРНК в синтезе белка.

Субъединицы и входящие в них рРНК принято обозначать по их константе седиментации. S - коэффициент седиментации, единицы Сведберга. Величина S характеризует скорость оседания частиц при ультрацентрифугировании и пропорциональна их молекулярной массе. (Так, например, рРНК прокариот с коэффициентом седиментации 16 единиц Сведберга обозначается как 16S рРНК).

Т.о., выделяют несколько видов рРНК, различающихся по длине полинуклеотидной цепи, массе и локализации в рибосомах: 23-28S, 16-18S, 5S и 5,8S. И прокариотическая, и эукариотическая рибосомы содержат 2 различные высокополимерные РНК, по одной на каждую субъединицу, и одну низкомолекулярную РНК - 5S РНК. Эукариотические рибосомы также содержат и низкомолекулярную 5,8S РНК. Н-р, у прокариот синтез 23S, 16S и 5S рРНК, у эукариот - 18S, 28S, 5S и 5,8S.

80S-рибосома (эукариотическая)

Малая 40S субъединица Большая 60S субъединица

- 18SрРНК (~2000 нуклеотидов), - 28SрРНК (~4000 н.),

- 5,8SрРНК (~155 н.),

- 5SрРНК (~121 н.),

~30 белков. ~45 белков.

70S-рибосома (прокариотическая)

Малая 30S субъединица Большая 50S субъединица

- 16SрРНК, - 23SрРНК,

- 5SрРНК,

~20 белков. ~30 белков.

Большая молекула высокополимерной рРНК (константа седиментации 23-28S, локализована в 50-60S субъединицах рибосом.

Малая молекула высокополимерной рРНК (константа седиментации 16-18S, локализована в 30-40S субъединицах рибосом.

Во всех без исключения рибосомах присутствует низкополимерная 5S рРНК, локализована в 50—60S субъединицах рибосом.

Низкополимерная рРНК с константой седиментации 5,8S характерна только для эукариотических рибосом.

Т.о., в состав рибосом входит три типа рРНК у прокариот и четыре типа рРНК у эукариот.

Первичная структура рРНК - одна полирибонуклеотидная цепь.

Вторичная структура рРНК – спирализация самой на себя полирибонуклеотидной цепи (отдельные участки цепи РНК образуют спирализованные петли – «шпильки»).

Третичная структура высокополимерных рРНК - взаимодействия спирализованных элементов вторичной структуры.

3. Транспортная РНК (тРНК). Составляет 10% клеточной РНК. Переносит аминокислоту к месту синтеза белка, т.е. к рибосомам. Для каждой аминокислоты имеется своя тРНК.

Первичная структура тРНК – одна полирибонуклеотидная цепь.

Вторичная структура тРНК – модель «клеверный лист», в этой структуре 4 двухцепочечных и 5 одноцепочечных участков.

Третичная структура тРНК – стабильная, молекула сворачивается в Г-образную структуру (2 почти перпендикулярных друг другу спирали).

Все типы РНК образуются в результате реакций матричного синтеза. В большинстве случаев матрицей служит одна из цепей ДНК. Таким образом, биосинтез РНК на матрице ДНК является гетерокаталитической реакцией матричного типа. Этот процесс называется транскрипцией и контролируется определенными ферментами – РНК–полимеразами (транскриптазами).

Синтез РНК (транскрипция ДНК) заключается в переписывании информации с ДНК на мРНК.

Отличия синтеза РНК от синтеза ДНК:

1. Асимметричность процесса: в качестве матрицы используется лишь одна цепь ДНК.

2. Консервативность процесса: молекула ДНК по окончании синтеза РНК возвращается в исходное состояние. При синтезе ДНК молекулы наполовину обновляются, что делает репликацию полуконсервативной.

3. Синтез РНК не требует для своего начала никакой затравки, а при репликации ДНК необходима РНК-затравка.