11.4 Нуклеиновые кислоты

11.4.  Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты — это природные высокомолекулярные соединения (полинуклеотиды), которые играют огромную роль в хранении и передаче наследственной информации в живых организмах.

Молекулярная масса нуклеиновых кислот может меняться от сотен тысяч до десятков миллиардов. Они были открыты и выделены из клеточных ядер еще в XIX в., однако их биологическая роль была выяснена только во второй половине XX в.

В состав нуклеотида - структурного звена нуклеиновых кислот - входят три составные части:

1) азотистое основание - пиримидиновое или пуриновое

Пиримидиновые основания – производные пиримидина, входящие в состав нуклеиновых кислот: урацил, тимин, цитозин.

Для оснований, содержащих группу –ОН, характерно подвижное равновесие структурных изомеров, обусловленное переносом протона от кислорода к азоту и наоборот:

Пуриновые основания — производные пурина, входящие в состав нуклеиновых кислот: аденин, гуанин.

Гуанин существует в виде двух структурных изомеров:

2) моносахарид

Рибоза и 2-дезоксирибоза относятся к моносахаридам, содержащим пять углеродных атомов. В состав нуклеиновых кислот они входят в циклических β-формах:

3) остаток фосфорной кислоты

ДНК и РНК

В зависимости от того, какой моносахарид содержится в структурном звене полинуклеотида - рибоза или 2-дезоксирибоза, различают:

·         рибонуклеиновые кислоты (РНК) и

·         дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК)

В главную (сахарофосфатную) цепь РНК входят остатки рибозы, а в ДНК– 2-дезоксирибозы.
Нуклеотидные звенья макромолекул ДНК могут содержать аденин, гуанин, цитозин итимин. Состав РНК отличается тем, что вместо тимина присутствует урацил.

Молекулярная масса ДНК достигает десятков миллионов а.е.м. Это самые длинные из известных макромолекул. Значительно меньше молекулярная масса РНК (от нескольких сотен до десятков тысяч). ДНК содержатся в основном в ядрах клеток, РНК – в рибосомах и протоплазме клеток.

При описании строения нуклеиновых кислот учитывают различные уровни организации макромолекул: первичную и вторичную структуру.

·         Первичная структура нуклеиновых кислот – это нуклеотидный состав и определенная последовательность нуклеотидных звеньев в полимерной цепи.

Например:

В сокращённом однобуквенном обозначении эта структура записывается как 

...– А – Г – Ц –...

·         Под вторичной структурой нуклеиновых кислот понимают пространственно упорядоченные формы полинуклеотидных цепей.

Вторичная структура ДНК представляет собой две параллельные неразветвленные полинуклеотидные цепи, закрученные вокруг общей оси в двойную спираль.

Такая пространственная структура удерживается множеством водородных связей, образуемых азотистыми основаниями, направленными внутрь спирали.

Водородные связи возникают между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи. Эти основания составляют комплементарные пары (от лат. complementum - дополнение).

Образование водородных связей между комплементарными парами оснований обусловлено их пространственным соответствием.

Пиримидиновое основание комплементарно пуриновому основанию:

Водородные связи между другими парами оснований не позволяют им разместиться в структуре двойной спирали. Таким образом,

·         ТИМИН (Т) комплементарен АДЕНИНУ (А),

·         ЦИТОЗИН (Ц) комплементарен ГУАНИНУ (Г).

Комплементарность оснований определяет комплементарность цепей в молекулах ДНК.

Комплементарность полинуклеотидных цепей служит химической основой главной функции ДНК – хранения и передачи наследственных признаков.

Способность ДНК не только хранить, но и использовать генетическую информацию определяется следующими ее свойствами:

·         молекулы ДНК способны к репликации (удвоению), т.е. могут обеспечить возможность синтеза других молекул ДНК, идентичных исходным, поскольку последовательность оснований в одной из цепей двойной спирали контролирует их расположение в другой цепи.

·         молекулы ДНК могут направлять совершенно точным и определенным образом синтез белков, специфичных для организмов данного вида.

Вторичная структура РНК

В отличие от ДНК, молекулы РНК состоят из одной полинуклеотидной цепи и не имеют строго определенной пространственной формы (вторичная структура РНК зависит от их биологических функций).

Основная роль РНК – непосредственное участие в биосинтезе белка.

Известны три вида клеточных РНК, которые отличаются по местоположению в клетке, составу, размерам и свойствам, определяющим их специфическую роль в образовании белковых макромолекул:

·         информационные (матричные) РНК передают закодированную в ДНК информацию о структуре белка от ядра клетки к рибосомам, где и осуществляется синтез белка;

·         транспортные РНК собирают аминокислоты в цитоплазме клетки и переносят их в рибосому; молекулы РНК этого типа "узнают" по соответствующим участкам цепи информационной РНК, какие аминокислоты должны участвовать в синтезе белка;

·         рибосомные РНК обеспечивают синтез белка определенного строения, считывая информацию с информационной (матричной) РНК.

 Третичная структура ДНК

ДНК имеют формы: линейная, кольцевая, 2-х и 1- цепочечная.

Двуцепочечные ДНК с «липкими» концами могут образовывать кольцо, которое далее ковалентно сшивается по сахарофосфатной цепи при помощи ДНК-лигазы.

Третичная структура ДНК у эукариотических клеток отличается тем, что многократная спирализация ДНК сопровождается образованием комплексов с белками.

46 хромосом (хроматид) человека организованы в 23 пары. Средняя длина хромосомы составляет 130 млн. пар оснований (п. о.) и имеет длину 5 см. Хромосома № 1 – 263 млн. п. о., хромосома № 46 – меньше 50 млн. п. о. Если проложить все ДНК в В-конформации в линию, то их общая длина превысит 2 метра. Человеческая хромосома 16 имеет 2,5 мкм в длину, а длина самой ДНК – 3,7 см.

Понятно, что уместить такой длины ДНК в ядре возможно только путем ее определенной упаковки. При образовании третичной структуры ДНК человека происходит в среднем уменьшение ее размеров в 100 тысяч раз.

Материал хромосом – хроматин – содержит, кроме самой ДНК, также гистоны, негистоновые белки, небольшое количество РНК. Нуклеосомный кор содержит октамер гистонов (2 х (Н2а+Н2b+H3+H4)). ГИСТОН – простой белок (примерно 50 % хроматина). Нуклеосомный кор образуется при оборачивании октамера гистонов двунитевой спирализованной ДНК на 1,5 оборота, отдельно включается дополнительный белок – гистон Н1. Все вместе носит название Хроматосом. Н1 очень богат ЛИЗ; Н2а, Н2b – умеренное количество ЛИЗ; Н3 – есть ЦИС, умеренно – АРГ; Н4 – богат АРГ и ГЛИ.

Хроматосомы образуются на двунитевой спирали ДНК на дистанциях (называемых линкерами) от 20 до 90 пар нуклеотидов и напоминают нанизанные на нитку бусины. Следующий этап – сворачивание в спираль очень длинной последовательности «бус». Эта спираль, в свою очередь, претерпевает сворачивание в двужильные канаты, из которых образуются гроздья, являющиеся небольшой частью хромосомы:

 Физико-химические свойства ДНК

Молекулярная масса ДНК определяется рядом методов, в том числе:

а) ультрацентрифугированием в градиенте CsCl (ММ от 200 000 до 10⁹);

б) по вязкости растворов (для НК с ММ > 10⁹, поскольку при центрифугировании такие длинные молекулы разрываются под действием собственного веса).

Денатурация ДНК заключается в разрыве Н-связей и стэкинг-взаимодействий, что приводит к расплетанию и разделению цепей (без разрыва ковалентных связей) под действием температуры или рН.

О степени денатурации судят по изменению интенсивности поглощения в ультрафиолете при l = 260 nm, поскольку дезэкранирование азотистых оснований в результате расплетания цепей устраняется, что вызывает увеличение степени поглощения раствором ДНК ультрафиолета указанной длины волны:

Денатурацию иначе называют плавлением, а температура плавления соответствует моменту 50%-ной денатурации молекулы. Температура плавления различается у разных ДНК.

Комплементарные цепи ДНК, разделенные при денатурации, при определенных условиях могут вновь соединиться в двойную спираль. Этот процесс называется ренатурацией. Если денатурация произошла не полностью, и хотя бы несколько оснований не утратили взаимодействия водородными связями, ренатурация протекает очень быстро. Ренатурация возможна даже при полностью разделенных цепях. В таком случае ренатурация требует точного совмещения цепей ДНК, которое может привести к реассоциации, и этот процесс медленный, к тому же зависит от концентрации цепей в растворе.

Химическая структура и  биологическая роль АТФ

(аденозинтрифосфорной кислоты)

Роль нуклеотидов в организмах не ограничивается тем, что они являются мономерами нуклеиновых кислот.

Например, молекула аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) содержит остатки аденина, рибозы и фосфорной кислоты, т.е. по своему составу также является нуклеотидом. Существенное отличие АТФ от нуклеотида нуклеиновых кислот состоит в том, что вместо одного остатка фосфорной кислоты в АТФ содержится три таких остатка:

При окислении белков, углеводов и жиров, поступающих в организм с пищей, выделяется энергия, которая аккумулируется в АТФ, т.е. накапливается в процессе превращения аденозинмонофосфорной кислоты (АМФ) и аденозиндифосфоной кислоты (АДФ) в АТФ:

За счет обратной реакции (гидролиза АТФ)

АТФ + Н₂О → АДФ + Н₃РО₄ + 40 кДж/ моль

запасенная в макроэргических связях энергия выделяется и используется живыми организмами на энергетические процессы: сокращение мышц, биосинтез белка, поддержание температуры тела у теплокровных животных и т.д.

Таким образом, АТФ играет центральную роль в энергетическом обмене клетки.

УПРАЖНЕНИЯ

1.     Какова роль ДНК и РНК в биохимических процессах, протекающих в организме человека? Какова роль нуклеиновых кислот в регулировке механизма наследственности?

Решение:

Нуклеиновые кислоты – важнейшие компоненты всех живых клеток. Эти вещества регулируют передачу наследственных признаков в ряду поколений. Им принадлежит ведущая роль в процессе биосинтеза белков. ДНК несет в себе генетическую информацию, РНК служит для временного хранения, переноса информации.

__________________________________________________________________

2.     В состав каких вам известных нуклеиновых кислот входят радикалы следующих веществ:

Решение:

Первое из веществ – рибоза, второе – дезоксирибоза, третье – аденин. Рибоза входит в состав РНК, дезоксирибоза – в состав ДНК. Аденин входит в состав как РНК, так и ДНК.

__________________________________________________________________

3.     Охарактеризуйте строение нуклеотидов и отдельных звеньев РНК и ДНК.

Решение:

Нуклеотиды состоят из остатка фосфорной кислоты и нуклеозида, нуклеозид состоит из азотистого основания и дезоксирибозы или рибозы. Образуют полимерную цепь. Схематически это можно показать так:

РНК – нуклеиновые кислоты, содержащие остатки рибозы.
ДНК – нуклеиновые кислоты, содержащие остатки дезоксирибозы.

______________________________________________________________

ЗАДАНИЯ  ДЛЯ  САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1.  Напишите структурные формулы родоначальных соединений: пурина и пиримидина.

2.  Какие соединения образуются в результате полного гидролиза РНК?

3.  Какие соединения образуются в результате полного гидролиза ДНК?

4.  Что такое азотистые основания нуклеиновых кислот? Сколько их всего существует?

5.  Что такое нуклеозиды и как они образуются?

6.  Что такое нуклеотиды?

7. Что такое комплементарные пары азотистых оснований.

8. Что такое АТФ и какова ее роль в живом организме.

9. Напишите уравнения реакций взаимодействия: а) тимина с дезоксирибозой;  б) урацила с рибозой и ортофосфорной кислотой;   в) гуанина с рибозой. Назовите образовавшиеся нуклеозиды и нуклеотид.

10. Назовите следующие вещества:

1.     Какой сахар входит в состав молекулы ДНК:
а) триозы	б) тетрозы
в) пентозы	г) гексозы
2.     Закономерность соотношения Аденина к Тимину, Гуанина к Цитозину получило название:
а) правило Ньюиса	б) правило Чаргаффа
в) правило Геккеля	г)  правило Уотсона
3.     Аденин с Тимином в двухцепочечной молекуле ДНК соединяется:
а) одной водородной связью	б)  двумя водородными связями
в) тремя водородными связями	г) четырьмя водородными связями
4.     Какие связи образуются между нуклеотидами Г (гуанином)  в одной цепи молекулы ДНК и нуклеотидами Ц (цитозином) во второй цепи:
а) две пептидные	б) три ионные
в)  три водородные	г) одна пептидная
5.     Сколько полинуклеотидных нитей входит в состав двух молекул ДНК:
а) одна	б) две
в) три	г) четыре
6.     К пиримидиновым азотистым основаниям, входящим в состав ДНК, относятся:
а) аденин и тимин	б) урацил и цитозин
в) аденин и гуанин	г) цитозин и тимин
7.     ДНК в клетках присутствует в:
а) только в ядре	б)  в рибосомах
в) в комплексе Гольджи и в цитоплазме	г)  в ядре, пластидах и митохондриях
8.     Азотистые основания, производные пурина:
а) аденин и тимин	б) тимин и цитоцин
в) аденин и гуанин	г) урацил
9.     Сколько пар нуклеотидов составляет один оборот спирали молекулы ДНК:
а) 3 пары нуклеотидов	б) 6 пар нуклеотидов
в) 10 пар нуклеотидов	г) 12 пар нуклеотидов
10.                        Нуклеиновые кислоты впервые открыты:
а) Н.И.Вавиловым	б) Ф. Мишером
в)   Т. Морганом	г) С.Четвериковым

Ответы:

1	в
2	б
3	б
4	в
5	г
6	г
7	г
8	в
9	в
10	б