Нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК

Ирвин Чергофф

Нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК

• роль в хранении и переноскеинформации;

химическое строение;

• пространственная организация;

• видовая специфичность

Впервые нуклеиновые кислоты были обнаружены Ф. Мишером в 1869 году. Убедительные доказательства того, что именно с ДНК связана передача наследственной информации, полученные при изучении вирусов.

Проникая в клетку, они вносят в нее лишь нуклеиновую кислоту с очень небольшим количеством белка, а вся белковая оболочка остается вне клеткой. Следовательно, введенная в клетку ДНК передает генетическую информацию, необходимую для образования такого же биологического вида. Выявлено, что чистая нуклеиновая кислота вируса табачной мозаики может заразить растение и вызывает типичную картину заболевания. Более того, удалось искусственно создать вегетативные "Гибриды" из вирусов, у которых белковый футляр принадлежит одному виду, а нуклеиновая кислота - другому В таких случаях генетическая информация "гибридов" всегда с точностью соответствовала тому вирусу, нуклеиновая кислота которого входила в состав "гибрида". Веские доказательства роли ДНК в передаче наследственной информации получены также в экспериментах на микроорганизмах благодаря явлениям трансформации, трансдукции и конъюгации. Трансформация (от лат. Transformatio - преобразование) - Включение чужеродной ДНК в геном клетки-хозяина, что приводит к изменению ее структурных и функциональных свойств. Перенос наследственной информации от одной клетки к другой осуществляется с помощью ДНК клетки-донора. Явление трансформации было обнаружено в опытах английского микробиолога Гриффитса (1928). Трансдукция (лат. transductio - перемещение) заключается в том, что вирусы, оставив бактериальные клетки, в которых они паразитировали, могут захватывать часть их ДНК и, попав в новые клетки, передают новым хозяевам свойства предыдущих.

Это явление впервые было открыто в исследованиях по заражению бактерий вирусами. Конъюгация (лат. conjugatio - соединение) - это перенос генетического материала от одной бактерии в другую путем образования цитоплазматического мостика, перемещение части ДНК и ее интеграция с геномом клетки-реципиента. Строение молекулы ДНК. Макромолекула ДНК - это два длинные полимерные цепи, состоящие из мономеров дезоксирибонуклеотидов, тесно соединенных между собой. Нити ДНК соединяются водородными связями между азотистыми основаниями двух цепей и образуют двойную спираль ДНК. Такое модель строения ДНК предложили в 1953 г. Дж. Уот- сон и Ф. Крик. Они использовали также данные, полученные другими учеными (Р. Франклин, М. Уилкинс, Е. Чаргафф), которые с помощью рентгеновской дифракции и других методов изучали физическую и химическую природу ДНК. Пуриновые и пиримидиновые основания взаимодействуют друг с другом. Аденин одной цепи двумя водородными связями соединяется с тимином другой цепи, а гуанин - тремя водородными связями с цитозином. Такое сочетание азотистых оснований обеспечивает прочную связь обеих цепей. Два полинуклеотидные цепи ДНК антипараллельны. То есть, 5'-конец одной цепи соединен с З'-концом другого, и наоборот. Генетическая информация записана последовательностью нуклеотидов в направлении от 5'-конца к З'-конца. Такая нить называется "содержательной", именно здесь расположены гены (матричный цепь). Второй цепь в направлении 3'-5 'считается "анти- содержательным "Он необходим как" эталон "сохранение генетической информации и приобретает значение в процессах репликации и репарации.

Два длинных антипараллельны полимерные цепи, состоят из дезоксирибонуклеотидов, крепко соединены между собой водородными связями. В результате этого образуется двойная спираль, закрученная вокруг центральной оси.

Рентгеноструктурный анализ показал, что диаметр двойной спирали составляет 2 нм, расстояние между двумя завершенными витками - 3,4 нм. В каждый виток входит 10 пар нуклеотидов. Расстояние между соседними основами составляет 0,34 нм. Нуклеотиды. ДНК - это полимерная молекула, мономерами в которой есть нуклеотиды. Нуклеотид состоит с:

1) азотистого основания,

2) моносахарида дезоксирибозы (В нуклеотидах РНК - рибозы),

3) остатка фосфорной кислоты.

Азотистые основания бывают двух типов: пуриновые - аденин (А) и гуанин (Г) и пиримидиновые - тимин (Т) и цитозин (Ц).

В состав молекулы ДНК входят четыре типа нуклеотидов: дезоксиаденозин-монофосфат (Дамфи), дезоксигуанин-монофосфат (дГМФ), дезокситими- дин-монофосфат (дТМФ), дезоксицитозин-моно- фосфат (дЦМФ). Сочетание нуклеотидов в молекуле ДНК происходит в результате взаимодействия фосфата одного нуклеотида с гидроксильной группой дезоксирибозы другое. В результате образуется фосфодиефирний связь, объединяющая нуклеотиды в долгий цепочку. Скелет цепи состоит из молекул фосфата и пентоз, которые чередуются. Синтез поли- нуклеотидного цепи происходит при участии фермента ДНК-полимеразы. Этот фермент присоединяет фосфатную группу одного нуклеотида в гидроксильной группы дезоксирибозы следующего. Комплементарность пар оснований. Два полинуклеотидные цепи ДНК не идентичны, но они комплементарные друг друг. Это повязкам связано с строгим соответствием основ одной цепи основам другое. Расстояние между двумя цепями ДНК - 2 нм, что позволяет вместить только одну пару А-Т или Г-Ц, соответствующие этим размерам. Только аденин и тимин, а также гуанин и цитозин имеют соответствующие пространственные структуры для образования водородных связей. Концепция специфического связывания п.н. свидетельствует, что аденин в одном цепи должен соответствовать тимина в другом, а гуанин должен иметь перед собой цитозин в другом цепи.

Таким образом, две цепи ДНК комплементарны друг другу. Коллинеарность (лат. collineare - метить, направлять) - Свойство, предопределяет соответствие между последовательностями триплетов нуклеотидов (кодонов) нуклеиновых кислот и аминокислот полипептидных цепей. То есть, последовательность аминокислот белка, в которой соответствующие кодоны располагаются в гене. Это означает, что положение каждой аминокислоты в полипептидному цепи белка зависит от положения соответствующего триплета в гене. Генетический код считается коллинеарными, если кодоны нуклеиновых кислот и соответствующие им аминокислоты белка расположены в одинаковом линейном порядке.

Явление коллинеарны сти доказано экспериментально. Так, установлено, что серповидноклеточная анемия, при которой возбуждено строение молекулы гемоглобина, обусловлена изменением одного нуклеотида в его гене, что приводит к замене одной аминокислоты на другую. Гипотеза о том, что последовательность нуклеотидов в гене определяет последовательность аминокислот белка, была выдвинута Г. А. Гамовым (1954). Данные о коллинеарность генов и полипептидов подтвердили ее. Благодаря концепции коллинеарности можно определить порядок нуклеотидов внутри гена и в информационной РНК, если известен аминокислотный состав полипептидов, и наоборот, определив состав нуклеотидов ДНК, можно предсказать аминокислотный состав белка. Этот принцип используется в методах молекулярной биологии. Из этой концепции видно, что изменение порядка нуклеотидов внутри гена (его мутация) приводит к изменению аминокислотного состава белка.

Правила Э. Чаргаффа. Изучая химический состав ДНК в 1950 году, Эрвин Чаргафф (рис. 1.49) сформулировал важные положения относительно структуры ДНК: И. Молярная доля пуринов (аденина - А и гуанина - Г) равна молярной доле пиримидинов (цитозина - Ц и тимина - Т): А + Г = Ц + Т, или А + Г / Ц + Т = 1 II. Количество аденина и цитозина равна количества гуанина и тимина: А + Ц = Г + Т, или А + Ц / Г + Т = 1 III. Количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина равно количеству цитозина: А = Т, или А / Т = 1, Г = Ц, или Г / Ц = 1 IV. Отношение суммы молярных концентраций Г + Ц к сумме молярных концентраций А + Т в различных видов значительно меняется: Г + Ц / А + Т названо коэффициентом специфичности. Для бактерий коэффициент специфичности равен 0,45-2,8, для высших растений, животных и человека - 0,45-0,94.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК). Наследственная информация хранится в молекуле ДНК. Однако ДНК не участвует в жизнедеятельности клеток. Роль посредников в передаче наследственной информации от ДНК в цитоплазму играют рибонуклеиновые кислоты. Взаимоотношения ДНК, РНК и белков можно представить в виде схемы ДНК -> РНК -> белок. В этом случае один из цепей ДНК является матрицей для молекул РНК, что, в частности, являются матрицами синтеза белков или входят в состав рибосом или переносят аминокислоты.

РНК имеют вид длинных неразветвленных полимерных молекул, состоящих из одной цепи. Одноцепочечные РНК могут образовывать двойные спирали, если разные части цепи имеют антипаралельни комплементарные сегменты, связанные друг с другом. У части вирусов РНК является носителем наследственной информации при отсутствии ДНК. Некоторые РНК имеют каталитическую активность на определенные клеточные процессы. РНК - полимер рибонуклеотидов, состоящие из фосфорной кислоты, рибозы и азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин, урацил). Рибоза вместе с остатками фосфорной кислоты образует скелет молекулы, на котором расположены азотистые основы. Все виды РНК синтезируются на молекулах ДНК при участии ферментов РНК-полимераз на основе принципа комплементарности. При этом в синтезированной молекуле аденин ДНК.