Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Глава 2. Нуклеиновые кислотыСтр 1 из 14Следующая ⇒
Еще в XIX в. было показано, что клетки содержат значительно различающиеся по молекулярным массам полимерные кислоты, строение которых удалось установить только в конце 1940-х гг. Высокомолекулярные фракции этих биополимеров были собраны в ядрах (nucleus) клеток, и поэтому они получили общее название нуклеиновые кислоты. При гидролизе высокомолекулярные нуклеиновые кислоты разлагались на производные пиримидина – тимин и цитозин, на производные пурина – аденин и гуанин, а также на дезоксирибозу и фосфорную кислоту; по сахаридной компоненте их называли дезоксирибонуклеиновыми кислотами (ДНК):
При гидролизе нуклеиновых кислот меньшей молекулярной массы получали урацил, цитозин, аденин, гуанин, рибозу и фосфорную кислоту; их стали называть рибонуклеиновыми кислотами (РНК): Наряду с этими структурными элементами в продуктах гидролиза нуклеиновых кислот содержались также состоявшие из этих же молекул продукты неполного гидролиза более сложного строения, среди которых были построенные по принципу N‑гликозидов продукты конденсации гетероциклов и рибозы или дезоксирибозы – нуклеозиды,а также продукты фосфорилирования нуклеозидов по 5¢-положению – нуклеотиды – и по 3¢‑положению рибозидного или, соответственно, дезоксирибозидного фрагмента, например:
Исходя из этого можно было сделать вывод о том, что нуклеиновые кислоты представляют собой линейные продукты поликонденсации нуклеотидов, в которых к полимерной цепочке из чередующихся фрагментов рибозы (или дезоксирибозы) и фосфорной кислоты присоединены гетероциклические основания: Урацил, тимин и цитозин относятся к производным гетероциклического соединения пиримидина, а аденин и гуанин – это производные пурина. В метаболических процессах (но не в построении нуклеиновых кислот) участвуют также 6-гидроксипурин (гипоксантин) и 2,6-дигидроксипурин (ксантин), а 1,3,7-триметил-ксантин – это кофеин.
Гипоксантин Ксантин Одним из продуктов метаболического превращения пуриновых оснований является мочевая кислота – 2,6,8-тригидроксипурин. Это вещество плохо растворимо в воде и его отложение в тканях тела и в суставах является причиной болезни, известной под названием подагра.
Для всех оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот, характерна так называемая лактам - лактимная таутомерия. Так, например, на цитозине это выражается равновесием: В лактимных формах возможны реакции гидролитического дезаминирования, в результате которых, например, цитозин может превращаться в урацил, а гуанин – в ксантин: Если в клетке есть эти гетероциклические основания, то биосинтез нуклеотидов идет следующим образом: 5¢-фосфат дезоксирибозы (или 5¢-фосфат рибозы) фосфорилируется аденозинтрифосфатом по аномерной гидроксильной группе с образованием соответствующего 1¢-пирофосфата. Например, для пирофосфата 5¢‑фосфо-a‑рибозы: Затем пирофосфатное производное пентозы реагирует с азотистым основанием с образованием соответствующего b‑фосфорибозида и с выделением пирофосфата, который при этом гидролизуется на две молекулы фосфорной кислоты (чтобы реакция стала необратимой). Так образуются аденозинмонофосфат (AMФ), гуанозинмонофосфат (ГМФ, на представленной выше схеме представлен его биосинтез) и другие нуклеотиды (в латинской транскрипции CMP, UMP, АМР, GМР, dAMP, dGMP, dCMP и TMP). Из представленной схемы следует, что роль азотистых оснований не сводится только к участию в образовании ДНК и РНК. В виде рибозидов они участвуют в образовании основного носителя свободной химической энергии аденозинтрифосфата (АТФ, АТР), его аналога гуанозинтрифосфата (ГТФ, GTP), некоторых участвующих в метаболизме веществ, относящихся к коферментам, и других биомолекул. По аналогичной схеме с участием АТФ идет и поликонденсация нуклеотидов с образованием ДНК или РНК. ДНК представляет собой вещество, несущее наследственную информацию. В этих биополимерах записана вся программа построения многих вирусов, прокариотических клеток (у многих из них молекула ДНК – плазмида – имеет кольцевую структуру), эукариотических клеток и многоклеточных организмов. Собранные в клеточном ядре эукариотической клетки молекулы ДНК включают генные участки. Ген – это часть гигантской молекулы ДНК, содержащая информацию о последовательности аминокислот, составляющих одну белковую молекулу. В эукариотических клетках в ходе их деления различаются компактные образования из различных белков и молекул ДНК, называемые хромосомами (от греч. chroma и soma – окрашиваемые тельца). Из всех содержащихся в клетках соединений только хромосомы подходили на роль носителей наследственности, и именно содержащиеся в них молекулы ДНК лучше всего соответствовали этой роли. Это было показано в различных экспериментах. Одно из таких доказательств роли ДНК было получено в опытах на пневмококках. Мутантный невирулентный штамм этого микроорганизма можно было снова сделать вирулентным, добавив в среду, на которой он развивается, ДНК из вирулентного штамма. Для полного исключения возможного участия в этом белков, от которых ДНК на том этапе исследований не удавалось очистить полностью, выделенную из вирулентных штаммов ДНК обрабатывали дезоксирибонуклеазой, гидролизующей только ДНК; после этого продукт гидролиза терял способность переносить свойство вирулентности.
Синтез белка идет в цитозоле на рибосомах, представляющих собой комплекс белков и рибосомальных рибонуклеиновых кислот (рРНК), а собранная в ядре эукариотических клеток ДНК передает информацию об аминокислотной последовательности белка с помощью еще одной РНК – матричной (мРНК), синтезируемой на основе кодирующей цепи генного участка ДНК. Взаимоотношения ДНК–РНК–белок строятся по схеме: Основа полимерной цепи ДНК представлена чередующимися молекулами фосфорной кислоты и дезоксирибозы, аномерные гидроксильные группы которой замещены на остатки тимина, цитозина, аденина и гуанина. Эти фрагменты нуклеотидов и определяют пространственную организацию ДНК, образуя знаменитую двойную спираль из двух цепей ДНК за счет реализации водородных связей в парах аденин–тимин и цитозин–гуанин (одноядерный и двухядерный гетероцикл):
Цепи ДНК в паре антипараллельны, одну из них называют кодирующей (на ней идет синтез РНК), а другую комплементарной (по ней проверяются ошибки, нарушения структуры ДНК). Кодирование аминокислотной последовательности в белке осуществляется тройками из нуклеотидных фрагментов. Здесь простая арифметика: пара из четырех оснований даст только 16 различных сочетаний, а белковых аминокислот – 20. Число возможных комбинаций из четырех оснований по три равно 64. Из этого следует, что многие аминокислоты кодируются не одним, а несколькими триплетами (вырожденность генетического кода). Кодирующие аминокислоты тройки оснований называют кодонами, и лишь три кодона не относятся ни к одной аминокислоте. Их обычно называют бессмысленными, но на самом деле у них есть смысл – они обозначают конец гена, завершение информации о белковой цепи на этом участке ДНК. Молекула РНК подобна комплементарной цепи ДНК, но вместо тиминового фрагмента у нее стоит урацильный: Можно представить себе, что есть рамка считывания информации с молекулы ДНК, в которую входят три нуклеотидных участка. Смещения рамки из-за выпадения одного нуклеотидного фрагмента (делеции) или добавления лишнего (вставки) приведут к транскрипции с образованием мРНК, трансляция с которой даст совсем другую аминокислотную последовательность, причем синтезируемый с этим сбоем белок может оказаться достаточно большим, поскольку из 64 вариантов кодонов только три останавливают биосинтез белка.
На самом деле процесс считывания информации с ДНК гораздо сложнее. Последовательность кодирующих белок участков ДНК в гене (экзоны) прерывается участками, которые не несут информации о белке – это так называемые интроны. При транскрипции сначала считывается вся последовательность экзонов и интронов с образованием первичного транскрипта РНК, из которого затем вырезаются участки, соответствующие интронам, а экзонные участки соединяются в одну цепь – идет процесс образования зрелой мРНК (сплайсинг). Понятно, что начало и конец интронов обозначены определенным сочетанием оснований: во всяком случае, все они начинаются с GU и кончаются AG [сплайсинг осуществляет аналог рибосомальной РНК – мяРНК (малая ядерная РНК)]. Биологическая роль интронов состоит, очевидно, в облегчении эволюции живого за счет ошибок в ходе сплайсинга с перетасовкой готовых блоков из РНК. Как отмечалось во Введении, именно РНК претендует сейчас на роль молекулы, с которой начиналось зарождение жизни. Одним из веских подтверждений этому является возможность самополимеризации фрагментов РНК с образованием более длинных цепей, сворачивающихся в компактные структуры с небольшими спиральными участками, которые аналогичны двойным спиралям ДНК. Кроме матричной и рибосомальной РНК, клетки содержат значительное количество других РНК с меньшей молекулярной массой, например, транспортные РНК (тРНК), которые при синтезе белка переносят аминокислоты к рибосомам, а также РНК с каталитической активностью (рибозимы). Интересно, что в составе этих «дополнительных» РНК есть гетероциклические структурные элементы, отличные от входящих в состав ДНК и мРНК, например, инозин, 1-метилгуанозин и псевдоуридин:
Повреждения структуры ДНК Сочетание кислотных и основных функциональных групп в молекуле ДНК делает ее достаточно чувствительной к рН среды и к присутствию в ней катионов металлов. Так, например, двухнитевая спираль устойчива только в среде с определенным содержанием ионов натрия и калия в достаточно узком интервале значений рН. В то же время ионы переходных металлов легко образуют комплексы с азотными функциями гетероциклических фрагментов молекулы ДНК, и поэтому они могут серьезно влиять на процессы репликации и транскрипции. Ионы металлов могут образовывать комплексы с ДНК как с участием воды (в гидратированной форме), так и без нее. Понятно, что включение в структуру ДНК дополнительных компонент нарушает естественный ход считывания информации с этой макромолекулы, что ведет к мутациям, то есть к изменению исходной структуры образовавшейся в результате репликации ДНК. В многоклеточном организме это может привести к появлению аномальных клеток, что лежит в основе тератогенного (отклонения в развитии плода) или онкогенного (возникновение злокачественных опухолей) эффекта ионов тяжелых металлов. В частности, установлено, что в присутствии повышенных концентраций ионов меди и марганца резко возрастает число мутантных клеток бактерий. Установлена канцерогенность солей хрома и никеля, токсичны соли кадмия, ртути, серебра, висмута. В отдельных случаях бактерицидные свойства таких солей (особенно серебра) используются для борьбы с патогенными микроорганизмами, хотя, конечно, токсическое действие этих металлов не ограничивается взаимодействием только с нуклеиновыми кислотами.
В полимерной молекуле ДНК, которая предназначена для длительного хранения информации, нет свободных гидроксильных групп. В отличие от этого молекула РНК достаточно легко деполимеризуется по реакции переэтерификации с образованием циклического фосфата: И все же, ионы меди, ртути, кадмия даже в очень низких концентрациях приводят к появлению разрывов в цепях ДНК из-за гидролиза. Еще более серьезные повреждения молекул наследственного вещества вызываются совместным действием ионов таких металлов и ионизирующего (или коротковолнового электромагнитного) излучения. Это особенно важно в связи с растущим загрязнением окружающей среды тяжелыми металлами на фоне радиоактивного заражения и возрастающей интенсивности ультрафиолетового излучения в результате разрушения озонового слоя. Свой вклад в этот процесс вносят и высокочастотные излучения различного происхождения (радиоволны дециметрового и более коротковолновых диапазонов, спутниковые и сотовые телефоны, печи СВЧ). Постоянные повреждения структуры ДНК вызывает ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, а также другие виды радиации. Известно, например, что УФ‑излучение вызывает димеризацию расположенных рядом тиминовых фрагментов в молекуле ДНК. Такое связывание приводит к изменению расстояния между основаниями и к сбою в рамке считывания: Природа готова к такому повреждению структуры ДНК: специальная ферментная система обнаруживает участки со связанными тиминовыми молекулами и вырезает их, вставляя «исправные». Если эта ферментная система дефектна (наследственное заболевание), то это проявляется в виде болезни ксеродермии, которая заставляет больных избегать солнечного света, сильно сушащего кожу и даже вызывающего злокачественные опухоли на коже. В малой степени, но все же идет гидролиз образующихся в таутомерном превращении иминных функциональных групп в фрагментах цитозина и гуанина, в результате чего эти фрагменты превращаются, соответственно, в урациловый и ксантиновый. Превращение цитозинового остатка в урацильный по схеме:
также распознается репарирующей ферментной системой (именно поэтому в молекуле ДНК роль урацила выполняет тимин). Если бы возможность такого распознавания была исключена, то урацил, образовавшийся из цитозина, оказался бы в аномальной паре с гуанином, и тогда репарирующая система встала бы перед неразрешимым вопросом: что надо заменить – урацил на цитозин или гуанин на аденин? Именно для таких исправлений возможных ошибок и служит вторая комплементарная нить ДНК. Кодирующая и комплементарная нити взаимно контролируют друг друга. Возможность саморепарации показана в опыте с культурой дрожжей: после облучения летальной для них дозой радиации некоторые дрожжевые клетки могут восстановить жизнеспособность, если их на несколько дней поместить в холодильник. К химическим мутагенам относятся: ü дезаминирующие вещества и N-нитрозопроизводные; ü алкилаторы (диметилсульфат, метилиодид, метилбромид, бензилхлорид, азотистый и сернистый иприт, соединения с активированными двойными связями и т.д.); ü структурные аналоги азотистых оснований и нуклеозидов. На параметаболический процесс (химическое превращение без участия ферментов) гидролиза лактимной формы цитозинового, аденинового или гуанинового фрагментов может накладываться действие азотистой кислоты, образующейся, например, из нитратных удобрений или из добавляемых в мясные продукты нитратов и нитритов: Пока число таких мутаций не превышает возможности их репарации соответствующими ферментными системами, контролирующими соответствие кодирующей и комплементарной нитей ДНК, отрицательные последствия минимальны. Если же ДНК с дезаминированными фрагментами включается в процесс транскрипции, то это приводит к фатальным последствиям, поэтому большие концентрации нитритов токсичны. Важными мутагенами и цитостатиками (вещества, останавливающие деление клеток) являются все N-нитрозопроизводные и многие вещества с алкилирующей способностью. Так, например, одним из мощнейших мутагенов является N‑нитрозодиметиламин и другие нитрозамины, которые легко образуются из нитритов и вторичных аминов. N-Нитрозодиметиламин образуется также из несимметричного диметилгидразина, используемого в качестве ракетного топлива. N‑Нитрозопроизводные реагируют с аминогруппами в ДНК с образованием триазенов, например: Среди алкилаторов можно выделить вещества, которые более или менее избирательны по отношению к различным нуклеофильным центрам (зарядовый и орбитальный контроль); есть С-алкилаторы, S-алкилаторы, N-алкилаторы, О‑алкилаторы. Так, например, диметилсульфат алкилирует преимущественно атом кислорода в гуаниновом фрагменте ДНК: Алкилирование, конечно, приводит к изменению системы водородных связей в молекуле ДНК, хотя небольшие количества метилированных азотистых оснований обязательно присутствуют в ДНК. В отличие от этого азотистый иприт атакует атом азота в имидазольном цикле пуриновых оснований, что приводит к отщеплению азотистого основания: Первыми средствами для лечения злокачественных опухолей стали b‑хлорэтиламины. Их действие было направлено на клетки, которые часто делятся и система репарации которых не успевает заменить дефектные участки в ДНК, образовавшиеся в результате действия этих веществ. С этим механизмом действия связан и токсический эффект алкилаторов, так как в организме человека достаточно много нормальных тканей, в которых идет интенсивное деление клеток. Совершенствование структур b‑хлорэтиламинов улучшило их терапевтические показатели. В качестве примера можно привести современное химиотерапевтическое средство циклофосфан (циклофосфамид) избирательность которого основана на гидролитическом отщеплении бис(b‑хлорэтил)амина от этого производного фосфорной кислоты. Алкилирующая способность хлорэтильных групп в амиде очень низка, а в злокачественных клетках очень активны ферменты, гидролизующие производные фосфорной кислоты (фосфорилазы), поэтому цитотоксичный бис(b‑хлорэтил)амин образуется преимущественно в клетках опухоли. Химические мутагены третьего типа относятся к антиметаболитам – структурным аналогам естественных метаболитов. Одним из примеров может служить 5-фторурацил. Его применение в роли антибактериального препарата основано на том, что часто делящиеся, интенсивно размножающиеся клетки испытывают острую потребность в строительных элементах ДНК и РНК, а ферментные системы бактерий не столь совершенны, чтобы различать присутствие лишнего заместителя. Поэтому они чаще встраивают этот структурный аналог урацила или тимина в свои РНК или ДНК, которые оказываются в результате этого дефектными. Для повышения избирательности 5‑фторурацила его ацилируют короткой пептидной цепью из D -аминокислот. В организме человека нет ферментов для разложения таких пептидных связей, а в клетках бактерий они есть. В клетках человека такой ацилированный 5-фторурацил не изменяется и, в конце концов, выводится, а в клетках бактерий гидролиз идет и в результате выделяется 5‑фторурацил, приводящий к образованию дефектной ДНК. Другими примерами антиметаболитов структурных элементов ДНК служат, в частности, 5-иодуридин, азидотимидин (лекарство от СПИДа), арабиноаденозин (антибиотик и лекарство от герпеса):
Антиметаболитами с противогерпесной активностью являются также ацикловир (Зовиракс) и ганцикловир:
Для лечения лейкозов и лейкемий используются антибиотики цитарабин и пентостатин:
Особое место в нарушении репликации и транскрипции занимают вещества, называемые интеркаляторами. Дело в том, что несмотря на плотную упаковку молекулы ДНК в двойной спирали, в ней все же остается место для встраивания плоских молекул, и это, конечно, сопровождается изменением геометрии спирали, ее витки растягиваются, освобождая место для «квартиранта». Чем больше у внедрившейся в спираль ДНК молекулы возможностей для образования ионных, водородных или иных типов связей, тем более прочное соединение включения она образует. Интеркаляторами являются многие полиядерные гетероциклические соединения, например 9-аминоакридин и этидийбромид:
По механизму интеркаляции действуют также многие средства для борьбы с болезнетворными микроорганизмами. Например, типичным интеркалятором является алкалоид хинин, в течение многих лет использовавшийся для лечения малярии: Интеркаляторами являются также синтетические аналоги хинина акрихин: и хлорохин: Большая группа интеркаляторных антибиотиков используется для лечения злокачественных новообразований. Так, например, рубомицин плоской системой четырех сконденсированных циклов встраивается между парами оснований в молекуле ДНК, а дидезоксиаминосахаридный фрагмент служит подобием якоря, фиксируясь в пространстве между полиэфирными цепями двух нитей ДНК с фосфатными группами.
|
|||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2021-05-12; просмотров: 80; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.128.199.162 (0.037 с.) |