Авг 15

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ. ВИДЫ, СТРОЕНИЕ, СТРУКТУРЫ, РОЛЬ

План:

  1. 1. ДНК, строение и роль
  2. 2. РНК, виды, строение и роль

Нуклеиновые кислоты (НК) – простетическая группа нуклеопротеидов (НП). НК открыты еще в 70-х годах XIX столетия (Фишер), но строение, локализация и роль установлены только в середине XХ века. Известно 2 вида НК – ДНК и РНК, которые различаются составом молекулы, локализацией в клетке и функцией в организме.

ДНК, строение и роль

Открытие ее структуры является значительным событием, что привело к возникновению новой отрасли биохимии – молекулярной биологии. В больших количествах ДНК образуется и содержится в ядрах клеток, причем количество молекул и их размеры зависят от вида организма. Например, в ядре клеток млекопитающих этих молекул много и они распределены по 46 хромосомам. Локализация ДНК в хромосомах была впервые установлена Фельгеном в 1924 году с помощью реакции Шиффа. Получены экспериментальные доказательства наличия  ДНК в митохондриях (около 1-2% от суммарной ДНК клеток). Установлено, что эта ДНК кодирует  синтез некоторых структурных белков митохондрий и особых митохондриальных РНК. В других местах ДНК может быть при вирусной инфекции, в яйцеклетках некоторых животных, в базальных тельцах (кинетопластах жгутиковых). Чем сложнее организм, тем большую массу имеет ДНК его клеток. Количество ДНК в клетке зависит от функции и обычно составляет 1-10%. Больше всего ДНК в половых клетках (60%), меньше (0,2%) в миоцитах. В хромосомах высших организмов ДНК связаны с простыми белками – гистонами, альбуминами и другими, образуя дезоксирибонуклеопротеид (ДНП). Такая большая молекула обычно нестойка и, чтобы сохранить ее целостность и неизменность, в процессе эволюции создана репарирующая система, состоящая из ферментов – нуклеаз и лигаз, которые являются ответственными за «дежурный ремонт» молекулы, сшивая ее фрагменты в единое целое.

ДНК – это полимер, полинуклеотид, состоящий из большого количества (до десятков тысяч млн) количества мононуклеотидов. Молекулярная масса 2х104 – 1х1011 Da. Мононуклеотиды ДНК содержат следующие азотистые основания -  из производных пурина – аденин (А), гуанин (Г), из производных пиримидинов — цитозин (Ц) и тимин (Т). Помимо этих азотистых оснований, в составе ДНК животных и человека открыто минорное пиримидиновое основание — 5-метилцитозин. Азотистые основания связаны с дезоксирибозой и фосфорной кислотой.

В 1949 году Э. Чаргафф установил закономерности в количественном распределении азотистых оснований в молекуле ДНК. Эти закономерности названы правилами Чаргаффа (давать только для откр.лекции). Их 4: 1) число пуриновых оснований равно числу пиримидиновых: ∑А + Г = ∑Т + Ц; 2) количество остатков А  равно количеству остатков Т, а Г равно Ц; 3) коэффициент специфичности Г+Ц/А+Т. . У человека оно равно 1,5, у быка 1,3, кишечной палочки 1,0. 4) количество аденина и цитозина равно количеству гуанина и тимина – А + Ц = Г + Т.

Структура ДНК установлена в 1953 году Уотсоном и Криком с помощью математических расчетов, модельных экспериментов и данных рентгеноструктурного анализа. За открытие структуры ДНК Уотсон и Крик в 1962 году были удостоены Нобелевской премии.

Согласно модели Уотсона и Крика, остатки дезоксирибоз и фосфатов расположены по хребту 2-х спиралеобразнозакрученных полинуклеотидных цепей, а плоскостные структуры пуриновых и пиримидиновых оснований расположены перпендикулярно оси цепи, образуя как бы ступени спиральной лестницы, причем А всегда соединен с Т двумя водородными связями, а Г с Ц тремя такими же связями. Это явление получило название правила (принципа) комплиментарности и избирательности.

Различают 4 уровня структурной организации ДНК:

Первичная структура – это спирально изогнутая полинуклеотидная цепь с определенным качественным и количественным набором мононуклеотидов, которые связаны 3’5’-фосфодиэфирной связью – формулу знать – см.Материалы С. 12, показать на табл или пленке. Т.о., каждая цепь имеет 5’конец (фосфатный) и 3’конец (дезоксирибоза). Участки ДНК, содержащие генетическую информацию, называются структурными генами.

Вторичная структура – это двухспиральная молекула, полинуклеотидные цепи которой антипараллельны и связаны водородными связями между комплементарными основаниями обоих цепей – показать на табл. или пленке. Один виток спирали равен 3,4 нм и содержит 10 нуклеотидных остатков. Вторичную структуру кроме водородных связей между комплементарными основаниями цепей, поддерживают также Ван-дер-Ваальсовы силы взаимодействия между основаниями одной цепи. Эти силы включают притягивающие и отталкивающие компоненты. Притягивающие включают взаимодействие между диполями, образованными кратковременными колебаниями электронов соседних атомов. Оттягивающие имеют место когда 2 атома подходят так близко, что их электронные орбитали перекрываются. Т.о., Ван-дер-Ваальсовы силы обусловлены взаимодействием электронов соседних атомов. Вторичную структуру также стабилизирует электростатическое взаимодействие между отрицательно заряженной нитью ДНК и положительно заряженными молекулами гистонов.

Третичная структура ДНК – это намотка ее цепей на гистоны, т.е. суперспирализация. Различают 5 видов гистонов: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4. Гистоны Н2А и Н2В богаты лизином, а гистоны Н3 и Н4 богаты аргинином. 4 пары молекул этих белков (2Н2А, 2Н2В, 2Н3, 2Н4) образуют шаровидные утолщения — октамеры, на которые наматывается участок ДНК (140 пар оснований образуют 2 витка суперспирали). Образуется нуклеосома, это неактивная часть молекулы ДНК. Между нуклеосомами располагаются участки ДНК, неспирализованные, но они связаны с гистоном Н1. Это активная, т.е работающая часть ДНК. В  процентном соотношении больше неактивной части (97%), а активной части ДНК всего 3%. В сборке нуклеосомы участвует особый ядерный белок – нуклеоплазмин. Это кислый (анионный) пентамерный белок, не связывающийся ни с ДНК, ни с хроматином, но способный обратимо соединяться с гистоновым октамером, блокируя способность гистонов к неспецифическому взаимодействию с ДНК. После завершения сборки нуклеосом нуклеоплазмин высвобождается из гистонового комплекса.

С гистонами возможны 3 типа химических реакций – ацетилирование, фосфорилирование и АДФ-рибозилирование. При этом гистоны становятся модифицированными. Ацетилирование гистонов Н3 и Н4 связано с активацией или инактивацией транскрипции гена; ацетилирование Н2А, Н2В, Н3 и Н4 гистонов связано со сборкой хромосом в ходе репликации ДНК; фосфорилирование гистонов Н1 связано с конденсацией хромосом в ходе репликативного цикла; АДФ-рибозилирование гистонов связано с репарацией ДНК.

Четвертичная структура – это укладка нуклеосом в хроматин, так что молекула ДНК длиной в несколько см складывается до 5 нм. Хроматин в химическом плане состоит на 2/3 из простых белков (гистонов – 55%, и негистоновых белков – альбуминов, глобулинов и ферментов – 45%) и 1/3 из ДНК. Хроматин содержит также 10% РНК. Ферменты хроматина участвуют в репликации (например, ДНК-топоизомеразы) и транскрипции (РНК-полимеразы).

В фазе покоя хроматин равномерно распределен по всему объему ядра и не обнаруживается обычными микроскопическими методами. В фазе деления клетки хроматин образует компактные частицы – хромосомы, которые видны в обычный микроскоп. Хроматин, содержащий активные гены, называется эухроматином (транскрипционно-активным). ДНК в активном хроматине содержит длинные участки (около 100000 пар оснований), чувствительные к действию нуклеаз, например, к ДНК-азе I. Внутри большой области активного хроматина обнаружены короткие участки (100-300 нуклеотидов) с еще более высокой чувствительностью к ДНК-азе I. Эти участки называются гиперчувствительными сайтами, или энхансерными элементами. Такие сайты обеспечивают доступность кодирующей цепи для белков, участвующих в процессе транскрипции. Транскрипционно-неактивный хроматин (гетерохроматин) плотно упакован. Существуют 2 типа гетерохроматина: конститутивный и факультативный. Конститутивный гетерохроматин всегда конденсирован и, следовательно, неактивен. Конститутивный гетерохроматин найден в областях, близких к цетромерам и к концевым участкам (теломерам) хромосом. Факультативный гетерохроматин временами конденсирован, а временами разуплотнен, активно транскрибируется, т.е. сходен с эухроматином.

В метафазе хромосомы состоят из 2-х сестринских хроматид, соединенных в центромере. Центромер является регионом, богатым А-Т. он связывает белков. образуемый комплекс называется кинетахор – это якорь для митотического веретена. Каждая сестринская хроматида содержит одну двухцепочечную молекулу ДНК. В интерфазе упаковка молекулы менее плотная, чем в метафазе. Метафазные хромосомы транскрипционно-неактивны.

ТЕЛОМЕРЫ И ТЕЛОМЕРАЗА

Теломеры представляют собой концы хромосом, которые у человека состоят из повторяющихся последовательностей 6 рядом стоящих мононуклеотидов ТТАГГГ. Эти последовательности складываются в форме ромашки. Теломеры не несут генетической информации, но они обеспечивают функциональную стабильность хромосом: защищают хромосомы от расщепления и предотвращают от слияния. При делении клетки длина теломер уменьшается и к старости теломер почти не остается.

В ряде клеток существует фермент, восстанавливающий длину теломер. Данный фермент называется теломераза, за его открытие Томас Чех получил в 1989 году Нобелевскую премию. Это РНП, состоит из РНК (роль шаблона) и 2-х ПП, формирующих АЦ. Фермент функционирует как обратная транскриптаза – РНКàДНКàбелок. В соматических клетках теломераза отсутствует. Активность этого фермента высока в зародышевых клетках, клетках опухолей. Чем выше активность теломеразы в опухолевых клетках, тем хуже прогноз и злокачественнее опухоль. Разрабатываются лекарственные препараты, ингибирующие теломеразу. Эти препараты в перспективе можно использовать при лечении теломеразо-позитивных опухолей. Благодаря высокой активности теломеразы клетки опухоли быстро и вечно делятся.

В связи с ролью теломеразы ученые пытаются решить и проблему старости и вечной жизни – найти препараты, активирующие теломеразу. Но при этом имеется опасность развития рака различной локализации.

Роль ДНК: 1) хранение и передача наследственной информации; 2) биосинтез ферментов, белков и гормонов.

РНК, виды, строение и роль

РНК – это полинуклеотиды, но состоят только из одной цепи, их мол.масса меньше, чем у ДНК. Кроме этого, они отличаются следующим: 1) количество РНК в клетке зависит от возраста, физиологического состояния, органной принадлежности клетки; 2) в мононуклеотидах РНК содержатся рибоза, вместо тимина урацил; 3) для РНК не характерны правила Чаргаффа; 4) в РНК больше минорных оснований, чем в ДНК, при этом в т-РНК количество минорных оснований приближается к 50.  Все РНК синтезируются на ДНК, этот процесс называется транскрипцией.

В зависимости от локализации в клетке, функции различают 4 вида РНК:  м-РНК (матричная, или информационная), транспортная – т-РНК, рибосомальная – р-РНК, малая ядерная РНК (мя-РНК). Каждый вид РНК имеет определенные представители: р-РНК включает 3 представителя (28S, 18S, 5.8S); м-РНК имеет больше всех представителей — 105; т-РНК представлена примерно 50 представителями; мя-РНК имеет около 10 представителей.

м-РНК

Открыта в 1961 году Жакобом и Мано. Она составляет всего 5% от общего количества РНК клетки. Эта РНК не имеет жесткой специфической структуры и ее полинуклеотидная цепь образует изогнутые петли. В нерабочем состоянии м-РНК собрана в складки, свернута в клубок, связана с белком; а во время функционирования цепь расправляется. Матричные РНК синтезируются на ДНК в ядре. Процесс называется транскрипция (списывание). Роль м-РНК – она несет информацию об аминокислотной последовательности (т.е. первичной структуры) синтезируемого белка. Место каждой аминокислоты в молекуле белка закодировано определенной последовательностью нуклеотидов в цепи м-РНК, т.е. в м-РНК имеются «кодовые слова» для каждой аминокислоты – триплеты, или кодоны, или генетические коды. Свойства генетического кода: 1) триплетность. Из 4-х возможных мононуклеотидов м-РНК (УМФ, ГМФ, АМФ, ЦМФ) можно построить по правилам перестановки 64 кодона. 61 кодон шифрует 20 аминокислот, а 3 кодона (УАА, УАГ, УГА) не кодируют ни одной аминокислоты. Они играют роль терминирующих (или «стоп-кодонов»), т.к. на них останавливается синтез п/п цепи. Полный кодовый словарь представлен на таблице; 2) неперекрещиваемость – списывание информации идет только в одном направлении; 3) непрерывность – код является линейным, однонаправленным; 4) универсальность, т.е. одна и та же аминокислота у всех живых организмов кодируется одинаковыми кодами у всех живых существ; 5) вырожденность. Первые две буквы кодона определяют его специфичность, третья менее специфична. Известно 20 аминокислот, а кодонов 61, следовательно, большинство аминокислот кодируется несколькими кодонами (2-6).

Т.о., м-РНК принимает непосредственное участие в биосинтезе белка. Основной постулат молекулярной биологии, показывающий направление переноса генетической информации: ДНКàРНКàБелок. Однако, в 1974 году американские ученые Темин и Балтимор показали возможность считывания информации и в обратном направлении с РНК на ДНК: ДНК↔РНКàбелок. Этот процесс идет с участием фермента ревертазы. С его помощью можно синтезировать участок ДНК по м-РНК и перенести этот синтезированный ген в другие объекты, что используется генной инженерией.

р-РНК

На долю этого вида РНК приходится более 80% от всей массы РНК клетки. Она входит в состав рибосом. Рибосомы находятся  в цитоплазме  клеток, а также имеются митохондриальные  рибосомы. Рибосомы – это РНП, состоящие на 65% из р-РНК и на 35% из белка. В составе рибосом имеется более 70 видов белков. При этом большая субъединица содержит 28S и 5,8S рРНК и 49 белков, а малая содержит одну 18S рРНК и 33 белка. Одна р-РНК способна соединяться с 30 молекулами белка. Полинуклеотидная цепь р-РНК легко изгибается и укладывается вместе с белком в компактные тельца. Рибосома состоит из 2-х субъдиниц – большой и малой (соотношение их 2,5:1). В рибосоме различают 2 участка – А  (аминокислотный, или участок узнавания) и Р – пептидный, здесь присоединяется п/п цепь. Эти центры расположены на контактирующих поверхностях обеих субъдиниц. Рибосомы могут свободно перемещаться в клетке, что дает возможность синтезировать белки в клетке там, где это необходимо. Рибосомы мало специфичны и могут считывать информацию с чужеродных м-РНК, вместе с м-РНК рибосомы образуют матрицу. Роль р-РНК – обуславливает количество синтезируемого белка.

т-РНК

Этот вид т-РНК изучен лучше всего, составляет 10% всей клеточной РНК. Содержится в цитоплазме, мол.масса небольшая (20тыс.Da) состоит из 70-80 нуклеотидов. Основная роль – транспорт и установка аминокислот на комплиментарном кодоне м-РНК. т-РНК специфичны к аминокислотам, что обеспечивается ферментом аминоацилсинтетазой. В неактивном состоянии она свернута в клубочек, а в активном имеет вид трилистника (клеверного листа). В молекуле т-РНК различают несколько участков: а) акцепторный стебель с последовательностью нуклеотидов АЦЦ, к нему присоединяется аминокислота. Б) участок для присоединения к рибосоме; в) антикодон – участок, комплиментарный кодону м-РНК,  который кодирует аминокислоту, присоединенную к данной т-РНК – показать на таблице. Особенностью первичной структуры т-РНК является то, что они содержат минорные, или модифицированные основания (7-метилгуанин, гипоксантин, основание V, дигидроурацил, псевдоурацил, 4-тиоурацил), которые способны к неклассическому спариванию. Это ускоряет белковый синтез. Т.о., т-РНК «метит» аминокислоту, придавая ей специфичность и способствует установлению аминокислоты на определенный участок м-РНК.

мя-РНК

Составляет около 5% от всех РНК в клетке. Эти РНК функционируют в ядре и участвуют в сплайсинге, служат для образования ядерных белков, например, белка-репрессора.

РНК  как катализаторы

Помимо основных функций РНК проявляют энзиматическую активность: 1) мя-РНК необходимы для образования м-РНК; 2) РНК ускоряют реакцию трансэстерификации и связаны со сплайсингом и эндорибонуклеазной активностью; 3) р-РНК способны гидролизовать эфиры аминокислот и, таким образом, играют центральную роль в функционировании пептидной связи.

Литература – основная и дополнительная

  1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. «Биологическая химия», 1998 – С. 96-114.
  2. Полосухина Т.Я., Аблаев Н.Р. «Материалы к курсу биологической химии», 1977 – 9-12.
  3. Верболович П.А., Полосухина Т.Я., Каипова З.Н. и др. «Практикум по органической, физической и биологической химии», 1973 – лаб.раб.№№ 215.
  4. Верболович П.А, Аблаев Н.Р. «Лекции по отдельным разделам биохимии», 1985 – С. 36-40.
  5. Сеитов З.С. «Биохимия», 2000 – С. 381-424, 648-666.

автор: Pchelka_k \\ теги: ,

Один отзыв на «НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ. ВИДЫ, СТРОЕНИЕ, СТРУКТУРЫ, РОЛЬ»

  1. Татьяна пишет:

    Слышала, что есть активатор теломеразы ТА-65. А есть ли еще какие-то активаторы теломеразы?

    [Ответить]

Оставьте свой отзыв