WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 12 |

2.3. Нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновые кислоты – это высокомолекулярные органические соединения (полинуклеотиды), обеспечивающие хранение и передачу генетической информации.

Нуклеиновые кислоты были открыты в ядре клетки в виде соединений с белком, отсюда и термин (от лат. nucleus – ядро) [24].

В зависимости от химического строения и биологических функций нуклеиновые кислоты делят на две большие группы:

1) рибонуклеиновые кислоты (РНК);

2) дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).

В клетке существуют три основных типа РНК:

1) рибосомная РНК – рРНК;

2) матричная РНК – мРНК;

3) транспортная РНК – тРНК.

Каждая из этих видов РНК выполняет свою специфическую роль в процессе биосинтеза белка.

В клетках эукариотов (например, животных или растений) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий) кольцевая или линейная молекула ДНК прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов.

Нуклеиновые кислоты состоят из мононуклеотидов. Мононуклеотиды нуклеиновых кислот в свою очередь состоят из трех фрагментов: азотистого основания, углевода и фосфорной кислоты [25, 26].

В состав РНК и ДНК входят пуриновые и пиримидиновые азотистые основания.

Пиримидиновые азотистые основания являются производными гетероциклического соединения пиримидина:

.

В составе нуклеиновых кислот обнаружены следующие основные производные пиримидина: цитозин (Ц), урацил (У), тимин (Т). Кроме них, в молекулах некоторых нуклеиновых кислот в незначительных количествах встречаются и другие пиримидиновые основания: 5-метил- и 5-оксиметил цитозин, 2-тиоурацил и т.д. Их называют минорными основаниями. Они защищают молекулу РНК от гидролитической ферментации. Пуриновые азотистые основания являются производными бициклического гетероцикла пурина, состоящего из конденсированных колец (пиримидинового и имидазольного):

.

Главные пуриновые основания в составе нуклеиновых кислот: аденин (А) и гуанин (Г).

Найдено большое число минорных пуриновых оснований – метилированных производных аденина и гуанина.

В состав нуклеиновых кислот входят пентозы (рибоза и дезоксирибоза). Они имеют -D-фуранозную форму (-D-рибоза и -D-дезоксирибоза).

При соединении азотистого основания с пентозой образуется нуклеозид.

Присоединение углеводов к азотистым основаниям осуществляется через N-гликозидную связь между первым углеродным атомом пентозы и азотом в девятом положении у пуринов или азотом в первом положении у пиримидинов.

При соединении нуклеозидов с фосфорной кислотой образуются нуклеотиды.

Остаток фосфорной кислоты в нуклеотидах присоединяется к третьему или пятому углеродному атому пентозы сложноэфирной связью (чаще к 5-ому).

РНК и ДНК состоят из различных нуклеотидов, отличающихся пентозой и набором азотистых оснований [27]:

РНК ДНК Н3РО4 Н3РОРибоза Дезоксирибоза Азотистые основания (А, Г, Ц, У) ( А, Г, Ц, Т) В таблице 1 представлены состав и названия нуклеозидов и нуклеотидов.

Таблица 1. Названия нуклеозидов и нуклеотидов.

Азотистые основания Нуклеозиды Мононуклеотиды (основание + (нуклеозиды + Н3РО4) углевод) Пуриновые:

Аденин Аденозин Аденозинмонофосфат (АМФ) Гуанин Гуанозин Гуанозинмонофосфат (ГМФ) Пиримидиновые:

Урацил Уридин Уридинмонофосфат (УМФ) Цитозин Цитидин Цитидинмонофосфат (ЦМФ) Тимин Тимидин Тимидинмонофосфат (ТМФ) Различают первичную, вторичную и третичную структуры РНК и ДНК.

Первичная структура у РНК и ДНК – это линейная полинуклеотидная цепь, в которой нуклеотиды соединены между собой фосфодиэфирными связями, которые образуют остатки фосфорной кислоты между углеродным атомом одного нуклеотида и углеродным атомом следующего нуклеотида. На одном конце полинуклеотидной цепи всегда есть свободный остаток фосфорной кислоты. Этот нуклеотид обозначается как концевой и считается началом макромолекулы нуклеиновой кислоты. На другом конце цепи содержится нуклеотид со свободной гидроксильной группой. Это концевой нуклеотид – конец макромолекулы. Никаких разветвлений в молекулах РНК и ДНК не обнаружено. Геном – полное количество ДНК, несущее всю генетическую информацию для данного организма.

Вторичная структура ДНК характеризуется правилами Э. Чаргаффа (закономерность количественного содержания азотистых оснований):

1. У ДНК молярные доли пуриновых и пиримидиновых оснований равны:

А+ Г = Ц + Т или (А + Г)/(Ц + Т)=1.

2. В ДНК количество оснований с аминогруппами (А + Ц) равно количеству оснований с кетогруппами (Г + Т):

А + Ц = Г + Т или (А + Ц)/(Г + Т) = 1.

3. Правило эквивалентности, т.е. А=Т, Г=Ц; А/Т = 1; Г/Ц=1.

4. Нуклеотидный состав ДНК у организмов различных групп специфичен и характеризуется коэффициентом специфичности:

(Г+Ц)/(А+Т).

У высших растений и животных он меньше 1, колеблется незначительно: от 0.54 до 0.(АТ-тип ДНК), у микроорганизмов он больше 1 (ГЦ-тип ДНК).

На основании данных рентгеноструктурного анализа и правил Чаргаффа, в 1953 г.

Дж. Уотсоном и Ф.Криком предложена модель вторичной структуры ДНК в виде двойной спирали (рис. 11).

Рис. 11. Модель вторичной структуры ДНК.

Согласно этой модели, молекула ДНК состоит из двух цепей, закрученных в правовращающуюся спираль вокруг одной и той же оси. Азотистые основания находятся внутри, а фосфорные и углеводные компоненты – снаружи. Полинуклеотидные цепи ориентированы в противоположном направлении (антипараллельны). Ширина двойной спирали составляет от 22 до 24, или 2.2 — 2.4 нм, длина каждого нуклеотида 3.3 (0.нм). Подобно тому, как в винтовой лестнице сбоку можно увидеть ступеньки, на двойной спирали ДНК в промежутках между фосфатным остовом молекулы можно видеть рёбра оснований, кольца которых расположены в плоскости, перпендикулярной по отношению к продольной оси макромолекулы. В двойной спирали различают малую (12 ) и большую (22 ) бороздки. Белки, например, факторы транскрипции, которые присоединяются к определённым последовательностям в двухцепочечной ДНК, обычно взаимодействуют с краями оснований в большой бороздке, где те более доступны. Данные по анализу структуры ДНК приводятся в [28, 29].



Азотистые основания в молекуле ДНК расположены строго специфично, по принципу комплементарности: А взаимодействует только с Т, Г с Ц, т.е. напротив аденина всегда расположен тимин, напротив гуанина – цитозин. А-Т и Г-Ц называют комплементарными парами оснований.

Вторичная структура ДНК стабилизируется водородными связями, стэкинг- и гидрофобными взаимодействиями. Водородные связи возникают между комплементарными основаниями: между А и Т образуются две водородные связи, между Г и Ц – три водородные связи. Стэкинг-взаимодействия – это взаимодействия между плоскостями гетероциклов, образующих стопку. Гидрофобные взаимодействия возникают между соседними основаниями одной и той же цепи, что способствует своеобразной укладке цепи в виде стопок.

В настоящее время обнаружено более 10 конфигураций двойной спирали ДНК. В зависимости от степени ее гидратации различают: А-, В-, С-формы, Д-форма и т.д.

В-форма соответствует модели Уотсона и Крика и наблюдается при влажности 92%.

В В-форме ДНК находится, когда играет роль матрицы для синтеза ДНК (процесс репликации). При относительной влажности 70% В-форма превращается в А-форму.

Число оснований на виток в ней составляет 11, основания наклонены под углом 20 к оси спирали, спираль короче на 25%. В А-форме ДНК находится, когда исполняет роль матрицы при синтезе РНК (процесс транскрипции). При влажности 66% ДНК приобретает С-форму. В С-форме ДНК находится в хроматине, в комплексе с белками. В ней на виток приходится 9.3 нуклеотида. Д-форма ДНК содержит 12 нуклеотидов на 1 виток в виде левой спирали.

Вторичная структура ДНК динамична и способна к конформационным переходам.

Третичная структура ДНК – это спираль и суперспираль в комплексе с белками.

ДНК может существовать в линейной форме (в хромосомах эукариот) и в кольцевой (у прокариот и в митохондриях). Спирализация характеризуется для обеих форм.

Стабилизировано сверхскрученное состояние ДНК ионными связями с гистонами.

Сначала образуются нуклеосомы (структурная единица хроматина), затем цепочка нуклеосом, цепочка многократно спирализуется и в результате образуется третичная структура ДНК (длина ДНК хромосомы человека достигает 8 см, а упаковывается так, что умещается в хромосоме длиной 5 нм).

Многие функции ДНК зависят от её взаимодействия с белками. Взаимодействия могут быть неспецифическими, когда белок присоединяется к любой молекуле ДНК, или зависеть от наличия особой последовательности [30, 31]. Ферменты также могут взаимодействовать с ДНК, из них наиболее важные — это РНК-полимеразы, которые копируют последовательность оснований ДНК на РНК в транскрипции или при синтезе новой цепи ДНК — репликации.

Хорошо изученными примерами взаимодействия белков и ДНК, не зависящего от нуклеотидной последовательности ДНК, является взаимодействие со структурными белками. В клетке ДНК связана с этими белками, образуя компактную структуру, которая называется хроматином. У прокариот хроматин образован в результате присоединения к ДНК небольших белков — гистонов. Менее упорядоченный хроматин прокариот содержит гистон-подобные белки. Гистоны формируют дискообразную белковую структуру — нуклеосому, вокруг каждой из которых вмещается два оборота спирали ДНК. Неспецифические связи между гистонами и ДНК образуются за счёт ионных связей щелочных аминокислот гистонов и кислотных остатков сахарофосфатного остова ДНК.

Химические модификации этих аминокислот включают метилирование, фосфорилирование и ацетилирование. Эти химические модификации изменяют силу взаимодействия между ДНК и гистонами, влияя на доступность специфических последовательностей для факторов транскрипции и изменяя скорость транскрипции.

Другие белки в составе хроматина, которые присоединяются к неспецифическим последовательностям — белки с высокой подвижностью в гелях, которые ассоциируют большей частью с согнутой ДНК. Эти белки важны для образования в хроматине структур более высокого порядка. Особая группа белков (присоединяющихся к ДНК) — это белки, которые ассоциируются с одноцепочечной ДНК. Наиболее хорошо охарактеризованный белок этой группы у человека — репликационный белок А, без которого невозможно протекание большинства процессов, где расплетается двойная спираль, включая репликацию, рекомбинацию и репарацию. Белки этой группы стабилизируют одноцепочечную ДНК и предотвращают формирование стеблей-петель или деградации нуклеазами. В то же время другие белки узнают и присоединяются к специфическим последовательностям. Наиболее изученная группа таких белков — различные классы факторов транскрипции, то есть белки, регулирующие транскрипцию. Каждый из этих белков узнаёт свою последовательность, часто в промоторе, и активирует или подавляет транскрипцию гена. Это происходит при ассоциации факторов транскрипции с РНКполимеразой либо напрямую, либо через белки-посредники. Полимераза ассоциируется сначала с белками, а потом начинает транскрипцию. В других случаях, факторы транскрипции могут присоединяться к ферментам, которые модифицируют находящиеся на промоторах гистоны, что изменяет доступность ДНК для полимераз. Так как специфические последовательности встречаются во многих местах генома, изменения в активности одного типа фактора транскрипции могут изменить активность тысяч генов.





Соответственно, эти белки часто регулируются в процессах ответа на изменения в окружающей среде, развития организма и дифференцировки клеток. Специфичность взаимодействия факторов транскрипции с ДНК обеспечивается многочисленными контактами между аминокислотами и основаниями ДНК, что позволяет им «читать» последовательность ДНК. Большинство контактов с основаниями происходит в главной бороздке, где основания более доступны.

В отличие от ДНК, молекула РНК состоит из одной полинуклеотидной цепи, которая спирализована сама на себя, т.е. образует всевозможные «петли» и «шпильки» за счет взаимодействий комплементарных азотистых оснований (вторичная структура). У некоторых вирусов встречаются двухцепочечные РНК, которые несут генетическую информацию аналогично ДНК [32, 33].

Существуют:

1) матричные РНК (мРНК);

2) рибосомные РНК (рРНК);

3) транспортные РНК (тРНК).

Рибосомные РНК. На долю рРНК приходится 80-90% клеточной РНК.

Локализованы в рибосомах, в комплексе с рибосомными белками. Рибосомы состоят из двух частей и представляют собой нуклеопротеины, состоящие из рРНК и белка в соотношении 1:1 (для эукариот) и 2:1 (для прокариот).

рРНК являются структурной основой рибосом, взаимодействуют с мРНК и тРНК в процессе биосинтеза белка, принимают участие в процессе сборки полипептидной цепи.

У эукариот обнаружено четыре типа рРНК с различным коэффициентом седиментации: 18S (в малой части рибосомы), а 28S, 5,8S и 5S – в большой части рибосомы. Они различаются молекулярной массой (35 000 - 1 600 000) и локализацией в рибосомах.

Вторичная структура рРНК характеризуется спирализацией цепи самой на себя, третичная – ее компактной укладкой.

Матричные РНК. Матричная РНК составляет 2-3% от всей клеточной РНК, синтезируется мРНК в ядре клетки на матрице ДНК (процесс транскрипции), переписывая с нее генетическую информацию по принципу комплементарности [34].

Затем мРНК поступают в цитоплазму, соединяются с рибосомой и играют роль матрицы для биосинтеза белка. Каждой аминокислоте соответствует в мРНК определенная тройка (триплет) нуклеотидов, называемая кодоном этой аминокислоты.

Последовательность кодонов в цепи мРНК определяет последовательность аминокислот в белке. Всего может быть 64 кодона. Из них 61 кодон кодирует аминокислоты, а 3 кодона – кодоны терминаторы (терминирующие), которые обозначают окончание белкового синтеза. Существуют также инициирующие кодоны, которые соответствуют первой аминокислоте в белке и чаще всего соответствуют аминокислоте метионину.

Поскольку мРНК несет наследственную информацию о первичной структуре белка, нередко ее называют информационной РНК (иРНК). Каждый отдельный белок, синтезируемый в клетке, кодируется определенной «своей» мРНК или ее участком. мРНК образует несколько двухспиральных «шпилек», на концах которых располагаются знаки (например, ААУААА) инициации (начала синтеза белка) и терминации (окончания синтеза белка).

Информация о строении белка закодирована в ДНК с помощью генетического кода, который является линейным, непрерывным, триплетным, вырожденным. Он является универсальным.

Молекулярный вес мРНК варьирует в широких пределах от 35 000 до нескольких млн. мРНК ранее считались короткоживущими РНК. Для микроорганизмов время жизни мРНК несколько секунд или минут, но для эукариот оно может составлять от нескольких часов до нескольких недель.

Транспортные РНК составляют 10-20% клеточной РНК.

Функции тРНК:

1) связывают аминокислоты и транспортируют их в рибосому, где происходит синтез белка;

2) кодируют аминокислоты;

3) расшифровывают генетический код.

Они содержатся в цитоплазме. Молекулярный вес от 22 000 до 27 000. Всего существует свыше 60 тРНК. Каждая тРНК может переносить только одну строго определенную аминокислоту. тРНК именуются по названию аминокислот. Например, аланиновая тРНК.

тРНК, связывающие одну и ту же аминокислоту, называют изоакцепторными и нумеруют:

тРНК1вал, тРНК2вал и т.д. тРНК содержат много минорных нуклеиновых остатков (около 10%). Они обеспечивают защиту тРНК от действия рибонуклеаз (ферментов), специфичность взаимодействия с переносимой аминокислотой и т.д.

Вторичная структура тРНК имеет форму «клеверного листа» [35]. В его составе различают:

1) акцепторный стебель (к нему присоединяется аминокислота);

2) псевдоуридиловая петля (используется для связи тРНК с рибосомой);

3) дополнительная петля (назначение неизвестно);

4) антикодоновая петля, которая содержит антикодон (триплет нуклеиновых остатков, комплементарных кодону мРНК, с его помощью тРНК соединяется с мРНК);

5) дигидроуридиновая петля, которая обеспечивает связывание тРНК со специфическим ферментом (аминоацил-тРНК-синтетазой; фермент соединяет аминокислоту с тРНК).

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 12 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.