МАКРОМОЛЕКУЛЫ. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Общая характеристика нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты - сложные высокомолекулярные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Обнаруженные швейцарским химиком Ф. Мишером в составе ядер лейкоцитов в 1869 году. Встречаются два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Это наиболее высокомолекулярные вещества в клетке, их масса - от 10 000 до нескольких миллионов (например, ДНК бактерий 2 × 109). Молекулярная масса ДНК в несколько сот раз превышает массу РНК.

Нуклеиновые кислоты - это полимеры, состоящие из мономерных единиц - нуклеотидов. Нуклеотиды соединяются между собой в полинуклеотидные цепи с помощью прочных ковалентных фосфодиефирних связей. Физические свойства нуклеиновых кислот, как в обычных полимеров: в основном растворимые в воде и растворах солей, способные к образования гелей, вязких растворов, медленной диффузии и т. Свойства нуклеиновых кислот определяются соотношением и последовательностью расположения нуклеотидов и пространственной структурой макромолекул. Образуются НК путем полимеризации из нуклеотидов, а расщепляются с образованием нуклеотидов благодаря реакциям гидролиза.

Для нуклеиновых кислот характерны реакции матричного синтеза, которые обеспечивают их образования и функционирования. Они способны взаимодействовать с другими биополимеры и образовывать интерполимерных комплексы с белками, которые называются нуклеопротеидами. Молекулы НК могут иметь первичную, вторичную и третичную структуру, что обуславливает такие свойства, как денатурация и ренатурация. Природные нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК - выполняют во всех живых организмах роль хранения, передачи и реализации генетической информации.

Особенности строения, структура, свойства и значение ДНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота ( ДНК ) - один из двух типов нуклеиновых кислот, мономерами которых дезоксирибонуклеотидов.

Местоположение. В клетках эукариот ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в митохондриях и пластидах.

В клетках прокариот кольцевая или линейная молекула ДНК нуклеоида находится в цитоплазме и прикреплена изнутри к клеточной мембране. В прокариот и эукариот также встречаются небольшие автономные кольцевые молекулы ДНК, называемые плазме дамы. Кроме того, одно или двухцепочечной молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов.

Строение. ДНК состоит из дезоксирибонуклеотидов, в образовании которых участвуют азотистые основания аденин, тимин, гуанин и цитозин, моносахарид дезоксирибоза и остатки фосфорной кислоты. В построении ДНК участвуют 4 типа дезоксирибонуклеотидов:

Мишер (1844-1895)

Мишер ( 1844-1895 )

адениловые, тимидилови, гуанилови и цитидилови Фосфодиефирни связи между этими нуклеотидами в полинуклеотидных цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы. Нуклеотиды различных цепей в молекулах ДНК соединяются между собой с помощью водородных связей на основе принципа комплементарности (А = Т, Г = Ц). Аденин одной цепи соединяется с тимином другой цепи двумя водородными связями, а гуанин с цитозином - тремя. Два полинуклеотидиних цепи ДНК антипараллельны. Направления от 3 'конца к 5'-концу в двух цепочках, из которых состоит молекула ДНК, противоположны. Генетическая информация записана последовательностью нуклеотидов в направлении от 5'-конца к 3'-конца и эта цепь называется матричным. Вторая цепь с направлением от З'-конца до 5 конца не содержит информации и приобретает значение в процессах репликации и репарации.

Американский ученый Э. Чаргафф вместе со своими коллегами обнаружил определенные закономерности количественного содержания нуклеотидов в молекуле ДНК, получивших название правил Чаргаффа. Вот некоторые из них:

количество адениновых остатков в любой молекуле ДНК равно числу тиминових ( А - Т ) , а гуанинових - количества цитозинових ( Г-Ц ) ;

• сумма адениновых и гуанинових остатков равна сумме тиминових и цитозинових ( А + Г = Т + Ц ) ;

отношение суммы молярных концентраций Г + Ц к сумме молярных концентраций А + Т у разных видов значительно меняется: Г + Ц / А + Т назван коэффициентом специфичности. Для бактерий он равен 0,45 -2,8, для высших растений, животных и человека - 0,45-0,94.

Структура . Исследование Е. Чаргаффа способствовали выяснению пространственной структуры ДНК. В 1953 году было предложено модель пространственной структуры, что стало одним из поворотных моментов в истории биологии. Согласно этой модели молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, соединенных между собой водородными связями с четким соответствием нуклеотидов в двух цепях ДНК, то есть комплементарниспю. За выдающийся вклад в это открытие Ф. Крику, Дж. Уотсону и М. Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине (1962). В подавляющем большинстве случаев (кроме вирусов с одноцепочечной ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей ( первичная структура ), ориентированных азотистыми основаниями друг против друга и закрученных в спираль. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали» ( вторичная структура ). В природе эта спираль, как правило, правозакручена. Расстояние между соседними нуклеотидами в цепи составляет 0,34 нм, шаг спирали равен 3,4 нм и содержит 10 пар оснований, а диаметр спирали - 2 нм. В состоянии двойной спирали ДНК все же имеет большую длину, поэтому она испытывает дальнейшего пространственного уплотнения, формируя третичную структуру - суперспираль. Эта структура возникает в хромосомах эукариотических организмов после многократного свертывания -

Чаргафф (1905-2002)

Чаргафф ( 1905-2002 )

Фрэнсис Крик (1916-2004)

Фрэнсис Крик ( 1916-2004 )

Джеймс Уотсон (1928)

Джеймс Уотсон ( 1928 )

компактизации - с участием белков гистонов. Гистоны - основные белки ядра, которые играют ключевую роль в упаковке и стабилизации структуры ДНК. У вирусов, прокариот ДНК не сочетается с белками и имеет кольцевую структуру.

структура

тривиальное название

связи

первичная

цепь

Фосфодиефирни между нуклеотидами одной цепи

вторичная

двойная спираль

Водородные связи между нуклеотидами разный цепей, гидрофобные связи между витками спирали

третичная

суперспираль

Ионные, гидрофобные, вандерваальсови связи между частями макромолекулы.

Свойства . Основными свойствами ДНК являются:

антипараллельность цепей (одна цепь - 5'-3 ', а второй - 3' 5 ');

■ способность к денатурации (потеря молекулой ДНК спиральной структуры вследствие разрыва водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями) и ренотурации (восстановление двуспиральной с / руктуры благодаря установлению водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями)

стабильность - за счет нековалентных связей между комплементарными основаниями;

■ способность к репликации (самовоспроизведения) и репарации ( от англ. DNA repair - "ремонт ДНК") - совокупность процессов, с помощью которых клетка находит и исправляет повреждения молекул ДНК).

Биологическое значение. ДНК является носителем генетической информации, записанной в виде нуклеотидной последовательности с помощью генетического кода. С молекулами ДНК связаны два основополагающих свойства живых организмов - наследственность и изменчивость. В ходе процесса, называемого репликацией ДНК, образуются две копии исходной цепочки, наследуемые дочерними клетками при делении. Клетки, образовавшиеся таким образом, будут генетически идентичными. Генетическая информация, необходимая для жизнедеятельности клетки, считывается при экспрессии генов (процесс, при котором наследственная информация генов используется для синтеза белка или РНК). В большинстве случаев она используется для биосинтеза белков в процессах транскрипции ( синтеза молекул РНК на матрице ДНК) и трансляции ( синтеза белков на матрице РНК).

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >