Структура нуклеиновых кислот.

Имеются 3 уровня структуры.

 

Первичная структураРНК и ДНК.

Первичная структура у РНК и ДНК одинакова – это линейная полинуклеотидная цепь, в которой нуклеотиды соединены между собой 3^/5^/ фосфодиэфирными связями, которые образуют остатки фосфорной кислоты между 3^/ углеродным атомом одного нуклеотида и 5^/ углеродным атомом следующего нуклеотида.

На одном конце полинуклеотидной цепи всегда есть свободный остаток фосфорной кислоты в 5^/ -положении. Этот нуклеотид обозначается как 5^/ - концевой и считается началом молекулы нуклеиновой кислоты. На другом конце цепи содержится нуклеотид со свободной 3^/ - гидроксильной группой. Это 3^/ -концевой нуклеотид – конец молекулы. Никаких разветвлений в молекулах РНК и ДНК не обнаружено.

Геном – полное количество ДНК, несущее всю генетическую информацию для данного организма.

Вторичная структура ДНК.

Вторичная структура ДНК характеризуется правилом Э. Чаргаффа (закономерность количественного содержания азотистых оснований):

1. У ДНК молярные доли пуриновых и пиримидиновых оснований равны:

А+ Г = Ц + Т или (А + Г)/(Ц + Т)=1.

2. В ДНК количество оснований с аминогруппами (А +Ц) равно количеству оснований с кетогруппами (Г + Т):

А +Ц= Г + Т или (А +Ц)/(Г + Т)= 1

3. Правило эквивалентности, т.е. А=Т, Г=Ц; А/Т = 1; Г/Ц=1.

4. Нуклеотидный состав ДНК у организмов различных групп специфичен и характеризуется коэффициентом специфичности:

(Г+Ц)/(А+Т). У высших растений и животных он меньше 1, колеблется незначительно: от 0,54 до 0,98 (АТ-тип ДНК), у микроорганизмов он больше 1 (ГЦ-тип ДНК).

 

На основании данных рентгеноструктурного анализа и правил Чаргаффа, в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф.Криком предложена модель вторичной структуры ДНК в виде двойной спирали. (см. рабочую тетрадь)

Согласно этой модели, молекула ДНК состоит из 2-х цепей, закрученных в правовращающуюся спираль вокруг одной и той же оси. Азотистые основания находятся внутри, а фосфорные и углеводные компоненты – снаружи.

Диаметр спирали 1,8 нм. Основания образуют прямой угол с осью спирали, расстояние между соседними основаниями – о,34 нм. Шаг спирали 3,4 нм и содержит 10 пар оснований. Полинуклеотидные цепи ориентированы в противоположном направлении (антипараллельны). На одном конце спирали одна цепь имеет 5^/ - конец, другая 3^/ -конец.

 

Азотистые основания в молекуле ДНК расположены строго специфично, по принципу комплементарности: А взаимодействует только с Т, Г с Ц, т.е. напротив аденина всегда расположен тимин, напротив гуанина – цитозин. А-Т и Г-Ц называют комплементарными парами оснований.

Вторичная структура ДНК стабилизируется водородными связями и гидрофобными взаимодействиями.

Водородные связи возникают между комплементарными основаниями: между А и Т образуются 2 водородные связи, между Г и Ц – 3 водородные связи (см. рабочую тетрадь с.). Водородные связи образуются между амино- и кетогруппами комплементарных оснований, а также между атомами N и NH в положении 1 и 3 пуриновых и пиримидиновых оснований соответственно. В этом и состоит комплементарность.

Гидрофобные взаимодействия возникают между соседними основаниями одной и той же цепи, что способствует своеобразной укладке цепи в виде стопок.

В настоящее время обнаружено более 10 конфигураций двойной спирали ДНК. В зависимости от степени ее гидратации различают: А-, В-, С-формы, Д-форма и т.д. с различным числом нуклеотидов на виток и структурой.

В-форма – соответствует модели Уотсона и Крика и наблюдается при влажности 92%. В В-форме ДНК находится, когда выполняет роль матрицы для синтеза ДНК (процесс репликации).

При относительной влажности 70% В-форма превращается в А-форму. Число оснований на виток в ней составляет 11, основания наклонены под углом 20˚ к оси спирали, спираль короче на 25%. В А-форме ДНК находится, когда выполняет роль матрицы при синтезе РНК (процесс транскрипции).

При влажности 66% ДНК приобретает С-форму. В С-форме ДНК находится в хроматине, в комплексе с белками. В ней на виток приходится 9,3 нуклеотида.

Д-форма ДНК содержит 12 нуклеотидов на 1 виток в виде левой спирали. выполняет регуляторную функцию, контролируя экспрессию генов.

Т.о. вторичная структура ДНК динамична и способна к конформационным переходам.

 

 

Третичная структура ДНК.

Третичная структура ДНК – это спираль и суперспираль в комплексе с белками. ДНК может существовать в линейной форме (в хромосомах эукариот) и в кольцевой (у прокариот и в митохондриях). Спирализация характеризуется для обеих форм.

Стабилизировано сверхскрученное состояние ДНК ионными связями с гистонами.

Сначала образуются нуклеосомы (структурная единица хроматина), затем цепочка нуклеосом, затем цепочка многократно спирализуется и в результате образуется третичная структура ДНК (длина ДНК хромосомы человека достигает 8 см, а упаковывается так, что умещается в хромосоме длиной 5 нм).

Структура и функции РНК.

В отличие от ДНК, молекула РНК состоит из одной полинуклеотидной цепи, которая спирализована сама на себя, т.е. образует всевозможные «петли» и «шпильки» за счет взаимодействий комплементарных азотистых оснований (вторичная структура). У некоторых вирусов встречаются двуцепочечные РНК, которые несут генетическую информацию аналогично ДНК.

Существуют:

1 – матричные РНК (мРНК);

2 – рибосомные РНК (рРНК);

3 – транспортные РНК (тРНК).

 

Рибосомные РНК. На долю рРНК приходится 80-90% клеточной РНК. Локализованы в рибосомах, в комплексе с рибосомными белками. Рибосомы состоят из двух частей и представляют собой нуклеопротеины, состоящие из рРНК и белка в соотношении 1:1 (для эукариот) и 2:1 (для прокариот).

Биологическая роль рРНК – являются структурной основой рибосом, взаимодействует с мРНК и тРНК в процессе биосинтеза белка, принимает участие в процессе сборки полипептидной цепи.

У эукариот обнаружено 4 типа рРНК с различным коэф. седиментации: 18S(в малой части рибосомы), а 28S, 5,8S и 5S (сведбергов) – в большой части рибосомы.. Они различаются молекулярной массой (35 000-1 600 000) и локализацией в рибосомах.

Вторичная структура рРНК характеризуется спирализацией цепи самой на себя, третичная – ее компактной укладкой.

Матричные РНК. Матричная РНК составляет 2-3% от всей клеточной РНК, синтезируется мРНК в ядре клетки на матрице ДНК (процесс транскрипции), переписывая с нее генетическую информацию по принципу комплементарности.

 

ДНК -А-Т-Г-Ц-

ДНК -Т-А-Ц-Г-

мРНК -А-У-Г-Ц-

 

Затем мРНК поступают в цитоплазму, соединяются с рибосомой и выполняют роль матрицы для биосинтеза белка. Каждой аминокислоте соответствует в мРНК определенная тройка (триплет) нуклеотидов, называемая кодоном этой аминокислоты. Последовательность кодонов в цепи мРНК определяет последовательность аминокислот в белке. Всего может быть 64 кодона. Из них 61 кодон кодирует аминокислоты, а 3 кодона – кодоны терминаторы (терминирующие), которые обозначают окончание белкового синтеза. Существуют также инициирующие кодоны, которые соответствуют первой аминокислоте в белке и чаще всего соответствуют аминокислоте метионину.

Поскольку мРНК несет наследственную информацию о первичной структуре белка, нередко ее называют информационной РНК (иРНК). Каждый отдельный белок, синтезируемый в клетке, кодируется определенной «своей» мРНК или ее участком. мРНК образует несколько двуспиральных «шпилек», на концах которых располагаются знаки (например, ААУААА) инициации (начала синтеза белка) и терминации (окончания синтеза белка).

Т.о. информация о строении белка закодирована в ДНК с помощью генетического кода, который является линейным, непрерывным, триплетным, выражденным. Он является универсальным.

Молекулярный вес мРНК варьирует в широких пределах от 35 000 до нескольких млн. мРНК ранее считались короткоживущими РНК. Для микроорганизмов время жизни мРНК несколько секунд или минут. Но для эукариот – оно может составлять от нескольких часов до нескольких недель.

Транспортная РНК. Составляют 10-20% клеточной РНК.

Функции тРНК:

1 - связывают аминокислоты и транспортируют их в рибосому, где происходит синтез белка;

2 – кодируют аминокислоты;

3 – Расшифровывают генетический код.

Содержатся в цитоплазме. Молекулярный вес от 22 000 до 27 000. Всего существует свыше 60 тРНК.

Каждая тРНК может переносить только 1 строго определенную аминокислоту.

тРНК именуются по названию аминокислот. Например, аланиновая тРНК. тРНК, связывающие одну и ту же аминокислоту, называют изоакцепторными и нумеруют: тРНК₁^вал, тРНК₂^вал и т.д.

тРНК содержат много минорных нуклеиновых остатков (около 10%). Они обеспечивают защиту тРНК от действия рибонуклеаз (ферментов), специфичность взаимодействия с переносимой аминокислотой и т.д.

Вторичная структура всех тРНК имеет форму «клеверного листа». В его составе различают:

1. акцепторный стебель – к нему присоединяется аминокислота.

2. Псевдоуридиловая петля – используется для связи тРНК с рибосомой.

3. Дополнительная петля – назначение неизвестно.

4. Антикодоновая петля – содержит антикодон (триплет нуклеиновых остатков, которые комплементарны кодону мРНК, с его помощью тРНК соединяется с мРНК);

5. Дигидроуридиновая петля – обеспечивает связывание тРНК со специфическим ферментом (аминоацил-тРНК-синтетазой), который соединяет аминокислоту с тРНК.

Стабилизируется вторичная структура водородными связями между комплементарными основаниями.

Третичная структура тРНК имеет неправильную Г-образную форму. стабилизирована водородными и др. связями.