Нуклеиновые кислоты. Виды нуклеиновых кислот
Нуклеиновые кислоты – это сложные высокомолекулярные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации. Впервые их обнаружили в ядре клетки, откуда и происходит название этих соединений (от латинского слова нуклеус – ядро). Молекула нуклеотида состоит из остатков нитратной основы, пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и фосфорной кислоты. В зависимости от вида пентозы, входящей в состав нуклеотида, различают 2 типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК). В состав ДНК входит остаток дезоксирибозы, а РНК – рибозы.
В молекулах ДНК и РНК содержатся остатки таких нитратных основ: аденина (сокращенно обозначается буквой А), гуанина (Г), цитозина (Ц). Кроме того, в состав ДНК входит остаток тимидина (Т), а в состав РНК – урацила (У). Итак, в состав молекул ДНК и РНК входят по 4 типа нуклеотидов, отличающихся по типам нитратной основы.
Нуклеиновым кислотам, как и белкам, присуща первичная структура – определенная последовательность расположения нуклеотидов, а также более сложная вторичная и третичная структуры, которые формируются благодаря водородным связям, электростатическим и другим взаимодействиям.
Отдельные нуклеотиды соединяются между собой в цепь с помощью особых «мостиков» между остатками пентоз двух соседних нуклеотидов. Эти «мостики» являются разновидностью простых ковалентных связей.
|
|
|
ДНК была открыта Иоганном Фридрихом Мишером в 1869 году. Вначале новое вещество получило название нуклеин, а позже, когда Мишер определил, что это вещество обладает кислотными свойствами, вещество получило название нуклеиновая кислота. Биологическая функция новооткрытого вещества была неясна, и долгое время ДНК считалась запасником фосфора в организме. Более того, даже в начале XX века многие биологи считали, что ДНК не имеет никакого отношения к передаче информации, поскольку строение молекулы, по их мнению, было слишком однообразным и не могло содержать закодированную информацию. Расшифровка структуры ДНК имеет свою предысторию. В 1950 году американский ученый Эрвин Чарграфф и его коллеги, исследуя состав ДНК, обнаружили определенные закономерности количественного содержания остатков нитратных основ в ее молекуле, названные правилами Чарграффа:
- количество адениновых остатков в любой молекуле ДНК равно числу тимидиновых (А=Т), а гуаниновых – цитозиновых (Г=Ц);
- сумма адениновых и гуаниновых остатков равно сумме тимидиновых и цитозиновых (А+Г=Т+Ц).
|
|
|
Это открытие способствовало установлению пространственной структуры ДНК и определению ее роли в переносе наследственной информации от материнской клетки к дочерней, от одного поколения организмов к другому.
В 1953 году Джеймс Уотсон и Френсис Крик предложили модель пространственной структуры ДНК, правильность которой со временем была подтверждена экспериментально. Молекула ДНК состоит из двух цепей нуклеотидов, соединенных между собой с помощью водородных связей. Эти связи возникают между двумя нуклеотидами, которые как бы дополняют друг друга по размерам. Установлено, что остаток аденина всегда соединяется с остатком тимидина (между ними возникают две водородные связи), а гуанина – с остатком цитозина (между ними возникают три водородные связи). Четкое соответствие нуклеотидов в двух цепях ДНК называется комплементарность. В соответствии с предложенной моделью строения ДНК две цепочки нуклеотидов обвивают друг друга, образуя закрученную вправо спираль (вторичная структура ДНК). При этом размер спирали составляет приблизительно 2 нм (2*10-6мм).
При определенных условиях (воздействие кислот, щелочей, высокой температуры и т.д.) происходит процесс денатурации ДНК – разрыв водородных связей между комплиментарными нитратными основами разных полинуклеотидных цепей. При этом ДНК полностью или частично распадается на отдельные цепи, из-за чего теряет свою биологическую активность. Денатурированная ДНК после присоединения действия вызвавших ее факторов, может возобновить свою структуру благодаря восстановлению водородных связей между комплиментарными нуклеотидами (процесс ренатурации ДНК).
|
|
|
Благодаря способности формировать структуры высших порядков (третичную и т.д.) молекула ДНК приобретает вид компактных образований. Например, длина молекулы ДНК самой большой хромосомы человека равняется примерно 8 см, но она составлена таким образом, что содержится в хромосоме длиной приблизительно 5 нм. Это становится возможным благодаря пространственному уплотнению двойной спирали ДНК с образованием трехмерной структуры – суперспирали. Это обусловлено взаимодействием между ДНК и ядерными белками клеток эукариот. У многих прокариот, некоторых вирусов и в митохондриях и хлоропластах эукариот ДНК с белками не взаимодействует и имеет кольцевую структур.
Репликация и репарация ДНК
Репликация ДНК - процесс, во время которого молекулы ДНК удваиваются. Удвоение ДНК, происходит на определенной стадии клеточного цикла, необходимое для передачи наследственной информации из поколения в поколение.
|
|
|
Репликация осуществляется особым ферментным комплексом - ДНК-полимеразой, и происходит в несколько этапов. На первом этапе ДНК полимераза прикрепляется к молекуле ДНК в определенных участках - точках начала репликации. Далее на небольшом участке цепи ДНК расходятся - формируется репликационный вилка. Полимераза, используя каждый из цепей как матрицу, начинает синтезировать дочерние цепи, комплементарно достраивая все новые нуклеотиды.
Репликационный вилка продвигается вдоль ДНК, пока не встретится с другой репликационной вилкой или не дойдет до конца хромосомы. В результате репликации образуются две дочерние спирали, каждая из которых содержит одну цепь матричной молекулы и один заново синтезированный цепь (так репликация ДНК называется полуконсервативной).
Несмотря на то, что с ДНК связана большое количество гистонов белков, ее структура все же недостаточно стабильна. Причины различных дефектов в заключении ДНК обусловлены: броуновским движением атомов, составляющих ее; повышением температуры в клетке; действием химических веществ (алкил-сульфонат, нитрозомочевины) действием ультрафиолетовых лучей и ионизирующей радиации.
Устранение повреждений молекулы ДНК называется репарацией. В основе процессов репарации лежит комплиментарность нитратных оснований. В случае нарушения структуры пурина или пиримидина специализированные ферменты (эндонуклеазы, гликозилазы) вырезают его и производят замену, используя в качестве матрицы противоположный цепь.
Виды РНК
РНК имеет подобную ДНК структуру, но состоит только из одной цепочки. У некоторых вирусов встречается и двухцепочная РНК. Известно 3 основных типа РНК: информационная, или матричная (иРНК или мРНК), транспортная РНК (тРНК) и рибосомная РНК (рРНК). Они отличаются местом расположения в клетке, формой, размерами и функциями.
Информационная РНК является копией определенного участка молекулы ДНК (одного или нескольких генов). Она переносит наследственную информацию от ДНК к месту синтеза молекулы белка, а также принимает непосредственное участие в ее сборке. Доля иРНК оставляет примерно 2% от общего количества РНК в клетке. Вторичная и третичная структура иРНК формируются с помощью водородных связей, электростатических и других типов взаимодействий. Молекула иРНК относительно нестабильна, она быстро распадается на нуклеотиды. Например, у микроорганизмов иРНК существует всего несколько минут, а в клетках эукариотов – несколько часов или дней.
Транспортная РНК по сравнению с информационной имеет меньшие размеры. Ее доля составляет до 20% общего количества РНК в клетке. Она присоединяет к себе аминокислоты и переносит их к месту синтеза белковой молекулы. Каждую аминокислоту транспортирует специфическая тРНК. Транспортная РНК имеет постоянную вторичную структуру, по форме напоминающую листок клевера. Такая пространственная структура обусловлена водородными связями между комплиментарными нуклеотидами. Возле верхушки такого «листка клевера» расположено три нуклеотида, определяющие, какую аминокислоту следует транспортировать. Сама аминокислота присоединяется с помощью ковалентной связи к участку возле основы молекулы тРНК.
Рибосомная РНК составляет примерно 80% общего количества РНК в клетке. Она входит в состав особых органелл клеток всех типов – рибосом. Взаимодействуя с белками, рРНК выполняет структурную функцию и принимает активное участие в процессах синтеза белков. Но в передаче наследственной информации она участия не принимает.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 1622; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!