3. Химический состав нуклеиновых кислот
В молекуле ДНК углевод представлен дезоксирибозой, а в молекуле РНК – рибозой, отсюда их названия: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) кислоты. Кроме того, они содержат фосфорную кислоту, по два пуриновых(А,Г) и по два пиримидиновых основания(Ц,Т,У); различия только в пиримидиновых основаниях: в ДНК содержится тимин, а в РНК –урацил.
В составе нуклеиновых кислот встречаются три главных пиримидиновых основания: цитозин, урацил и тимин.
Помимо главных пиримидиновых оснований, в составе нуклеиновых кислот открыты минорные пиримидиновые основания, 5-метил- и 5-оксиметилцитозин, дигидроурацил. Два пуриновых основания, постоянно встречающихся в гидролизатах нуклеиновых кислот, имеют следующее строение:
Аденин Гуанин
К минорным нуклеозидам пуринового ряда, обнаруживаемым в составе ДНК и РНК, относятся инозин. Cвойство свободных азотистых оснований –существование в двух таутомерных формах, в частности лактим- и лактамной формах. В составе нуклеиновых кислот все оксипроизводные пуринов и пиримидинов находятся в лактамной форме.
Содержание ДНК в клетках постоянно и исчисляется несколькими пикограммами. На долю РНК приходится около 5–10% от общей массы клетки Выделяют три главных вида
РНК: матричную (информационную) – мРНК, РНК; рибосомную – рРНК, и транс-
портную – тРНК. СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Правило Э. Чаргаффа.
1) молярная доля пуринов равна молярной доле пиримидинов:
2) количество аденина и цитозина равно количеству гуанина и тимина:
3) количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина равно количеству цитозина: А = Т и Г = Ц; соответственно
4) существенным для характеристики вида (таксономическое значение) оказался так называемый коэффициент специфичности, отражающий отношение
Структурными единицами нуклеиновых кислот являются мономерные молекулы – мононуклеотиды. . Это продукты полимеризации мононуклеотидов, число и последовательность расположения которых в цепях ДНК и РНК определяются в строгом соответствии с программой, заложенной в молекуле матрицы . Мононуклеотиды состоят из трех специфических компонентов: азотистого основания, углевода и фосфорной кислоты. Соединения азотистого основания и углевода -нуклеозид. Нуклеозиды содержат пуриновое или пиримидиновое основание, соединенное с углеводом N-гликозидной связью. Мононуклеотиды, присоединяя еще один остаток фосфата, образуют фосфоангидридную связь и превращаются в нуклеозиддифосфаты (АДФ, ГДФ, УДФ, ЦДФ и ТДФ). Писоединяя еще один остаток фосфата, образуют нуклеозидтрифосфаты (АТФ, ГТФ,УТФ, ЦТФ и ТТФ). Функция нуклеозидтрифосфатов - участие в биоэнергетике всех живых организмов. В организме существкет два типа фосфорных эфиров нуклеотидов:1. когда фосфат связывает 2 атома кислорода пентозного остатка в одном и том же нуклеотиде 2.когда фосфатный мостик объединяет два разных мононуклеотида. Первичная структура нуклеиновых кислот Под первичной структурой нуклеиновых кислот понимают порядок, последовательностьрасположения мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК и РНК. Такая цепь стабилизируется 3',5'-фосфодиэфирными связями. К настоящему времени удалось определить первичную структуру почти всех тРНК, ряда молекул 5S рРНК, 16S рРНК E.coli, вирусных РНК, в состав которых входят сотни и тысячи нуклеотидных остатков. Все клеточные РНК в основном состоят из одноцепочечной полинуклеотидной цепи: 5'-Г–У–Г–Ц–А–А–...–У–Ц–Г–Ц–Ц–А–3' Полинуклеотидная цепь молекулы РНК имеет на одном конце свободный монофосфорный эфир,на противоположном конце цепи такой фосфат отсутствует, а содержится нуклеотид со свободными 2'- и 3'-гидроксильными группами. О первичной структуре ДНК судят по распределению минорных оснований и обнаружению в ДНК и определению последовательности палиндромов. Вторичная структура нуклеиновых кислот В соответствии с моделью Дж. Уотсона и Ф. Крика, предложенной в 1953 г. молекула ДНК состоит из двух цепей, образуя правовращающую спираль, в которую обе полинуклеотидные цепи закручены вокруг одной и той же оси. Удерживаются цепи благодаря водородным связям, образующимся между их азотистыми основаниями. Обе цепи поли нуклеотидов в биспиральной молекуле ДНК имеют строго определенное пространственное расположение, при котором азотистые основания находятся внутри, а фосфорильные и углеводные компоненты – снаружи. В биспиральной молекуле ДНК основания уложены парами: пурин из одной цепи и пиримидин из другой в соответствии с правилами Чаргаффа (пары аденин–тимин и гуанин–цитозин). Избирательность взаимодействия пар А–Т и Г–Ц принято выражать термином «комплементарность», а соответствующие азотистые основания называют комплементарными. Стабильность А–Т оснований обеспечивается двумя водородными связями, а пар Г–Ц – тремя. Обе цепи в молекуле ДНК имеют противоположную полярность. Конфигурация двойной спирали ДНК сильно меняется в зависимости от количественного содержания воды и ионной силы окружающей среды. Существовует 6 форм ДНК, названных А-, В-, С-, D-, Е- и Z-формами. Третичная структура нуклеиновых кислот Двойная спираль ДНК на
некоторых участках может подвергаться дальнейшей спирализации с образованием суперспирали или открытой кольцевой формы Суперспиральная структура обеспечивает экономную упаковкуогромной молекулы ДНК в хромосоме. Суперспирализация ДНК может быть нарушена разрывом в одной из цепей или в обеих цепях двойной спирали под действием ДНКазы или при обработке интеркалирующими соединениями. Нативные молекулы тРНК имеют примерно одинаковую третичную структуру, которая отличается от плоской структуры «клеверного листа» большой компактностью за счет складывания различных частей молекулы. Биосинтез нуклеиновых кислот Репликации-образование дочерних молекул ДНК, первичная структура которых идентична родительской ДНК (копирование ДНК). Репликация ДНК является ключевой функцией делящейся клетки и частью таких биологических процессов, как рекомбинация, транспозиция и репарация
В репликации ДНК выделяют: 1. узнавание точки начала процесса2. расплетение родительских цепей ДНК в репликационной вилке 3. инициацию биосинтеза дочерних цепей 4.элонгацию 5.окончание (терминация) .Участвует более 40 ферментов и белковых факторов, объединенных в единую ДНК-репликазную систему, называемую реплисомой. В стадии инициации ферментом является РНК-полимераза( праймаза), которая катализирует синтез праймера, с которого начинается синтез ДНК. Основным ферментоми в стадии элонгации является ДНК-полимераза III, ДНК-полимеразы I, ДНК-полимеразы II. Фермент – ДНК-лигаза, катализирующая за счет энергии АТФ. Функцию раскручивания (расплетения) двойной спирали ДНК в репликационной вилке, происходящего за счет энергии гидролиза АТФ, выполняет специфический rep-белок, названный хеликазой. Образовавшиеся на определенное время одноцепочечные участки ДНК служат в качестве матрицы при репликации и стабилизируются при помощи особых белков, связывающихся с одноцепочечной ДНК (ДНК-связывающие белки) и препятствующих обратному комплементарному взаимодействию цепей. Имеются, кроме того, особые ферменты топоизомеразы, обеспечивают как репликацию, так и транскрипцию ДНК. В репликации ДНК эукариот участвуют два главных типа полимераз – α и δ .ДНК-полимераза δ состоит из 2 субъединиц Этапы биосинтеза ДНК. Механизм синтеза ДНК у Е. coli может быть подразделен на три
этапа; инициацию, т.е. начало, элонгацию, т.е. продолжение, и терминацию, т.е. завершение (прекращение) синтеза. Каждый из этих этапов требует участия специфических ферментов и белковых факторов. Этап I – инициация биосинтеза ДНК – является началом синтеза дочерних нуклеотидных цепей; в инициации участвует минимум восемь хорошо изученных и разных ферментов и белков. Первая фаза – это, как указано ранее, ферментативный биосинтез на матрице ДНК необычного затравочного олигорибонуклеотида (праймера) со свободной гидроксильной группой у С-3' рибозы. При инициации к цепям ДНК последовательно присоединяются ДНК-раскручивающие и ДНК-связывающие белки, а затем комплексы ДНК-полимераз и праймаз. Этап II – элонгация синтеза ДНК – включает два кажущихся одинаковыми, но резко различающихся по механизму синтеза лидирующей и отстающей цепей на обеих материнских цепях ДНК. Синтез лидирующей цепи начинается с синтеза праймера (при участии праймазы) у точки начала репликации, затем к праймеру присоединяются дезоксирибонуклеотиды под действием ДНК-полимеразы III; далее синтез протекает непрерывно, следуя шагу репликационной вилки. Синтез отстающей цепи, напротив, протекает в направлении, обратном движению репликационной вилки и начинается фрагментарно. Фрагменты всякий раз синтезируются раздельно, начиная с синтеза праймера, который может переноситься с готового фрагмента при помощи одного из белковых факторов репликации в точку старта биосинтеза последующего фрагмента противоположно направлению синтеза фрагментов. Элонгация завершается отделением олигорибонуклеотидных праймеров, объединением отдельных фрагментов ДНК при помощи ДНК-лигаз и формированием дочерней цепи ДНК Этап III – терминация синтеза ДНК – наступает, скорее всего, когда исчерпана ДНК-матрица и трансферазные реакции прекращаются. Точность репликации ДНК чрезвычайно высока, возможна одна ошибка на 1010 трансферазных реакций, однако подобная ошибка обычно легко исправляется за счет процессов репарации. Выдающимся достижением биохимии нуклеиновых кислот является открытие в составе онковирусов фермента обратной транскриптазы, или ревертазы (РНК-зависимая ДНК-полимераза), катализирующего биосинтез молекулы ДНК на матрице РНК .Типы репликации:1.Консервативный.Новая молекула ДНК не содержит материнских нитей. 2.Полуконсервативный. .Новая молекула ДНК содержит одну часть материнской и одну часть синтезируемой. 3.Дисперсивный.Материал исходной молекулы случайно распределяется в дочерних.