Первинна структура нуклеїнових кислот

Як уже зазначалося, всі класи нуклеїнових кислот (ДНК та РНК) є високо-

молекулярними сполуками, основою первинної структури яких є полінуклео-

тидний ланцюг, побудований із мономерів — нуклеотидів.

Окремі нуклеотиди сполучаються між собою в полінуклеотидний ланцюг за рахунок

фосфодіефірних зв’язків, що утворюються між 3'- та 5'- гідроксильними групами пентоз

(рибоз або дезоксирибоз) сусідніх нуклеотидів.

Біологічні функції ДНК:

1. Збереження спадкової інформації.

Кількість ДНК у соматичних та статевих клітинах організму людини є сталою

величиною, яку ці клітини отримують у процесах запліднення батьківських гамет та

подальшого поділу зиготи.

2. Передавання генетичної інформації нащадкам.

Подвоєння молекул ДНК у процесі реплікації та передавання нащадкам копій

материнських молекул є основою консерватизму спадковості, збереження протягом

багатьох поколінь основних біологічних ознак виду.

3. Реалізація генетичної інформації.

Ця біологічна функція здійснюється за рахунок передачі закодованої в ДНК інформації

молекулам інформаційних (матричних) РНК (транскрипції) та подальшої розшиф-

ровки цієї інформації присинтезі білків (трансляції).

Сукупність зазначених біологічних функцій ДНК та механізмів їх реалізації отримала

назву — центральна догма молекулярної біології (Ф.Крік) (рис. 3.1):

Експериментальне доведення генетичної ролі ДНК (феномен трансформації)

У 1928 р. англійським мікробіологом Ф. Гріффітом (F. Griffith) при вивченні двох

штамів пневмококів Streptococcus pneumoniae — патогенного, що викликає

пневмонію в людини та мишей (капсульної S-форми), та непатогенного мутанта

(безкапсульної R-форми) — було відкрито явище трансформації. Вона полягала

в можливості перетворення непатогенної R-форми в патогенну S-форму:

трансформація

R S

Гріффіт встановив, що трансформація пневмококів відбувається за умов

взаємодії в організмі піддослідних тварин (мишей) вбитої нагріванням S-форми

(патогенної) з живою непатогенною R-формою. Був зроблений висновок, що у

вбитих нагріванням вірулентних клітинах пневмококів (штам S) присутній певний

трансформуючий фактор, який, проникаючи в живі невірулентні клітини (штам

R), змінює біологічні властивості останніх, надаючи їм властивість патогенності,

до того ж ця властивість є спадковою:

трансформуючий фактор

Пізніше, в 1944 р., групою дослідників із Рокфелерівського інституту (США) —

О.Евері, К.Мак-Леодом та М.Мак-Карті (O.Avery, C.McLeod, M.McCarthy) при

дослідженні хімічної природи екстрактів патогенних пневмококів, які спричиняють

трансформацію, було доведено, що трансформуючим фактором пневмококів є

клітинна ДНК:

ДНК

Таким чином, у результаті досліджень О.Евері та співавторів генетичне

поняття “фактор спадковості”, або “ген” уперше набуло конкретного моле-

кулярного змісту — ним виявилась дезоксирибонуклеїнова кислота.

 

19 Фізико-хімічні властивості нуклеїнових кислот

Реакційноздатність

Усі полінуклеотиди, ДНК зокрема, є сильними багатоосновними кислотами з

низьким значенням рК. Кислотність ДНК обумовлена вторинними фосфатними

групами, що при рН > 4 повністю іонізовані.

Завдяки кислотним властивостям і наявності на своїй поверхні негативних

зарядів молекули ДНК при фізіологічних значеннях рН активно реагують і

утворюють комплекси з катіонами:

– поліамінами (спермідином, сперміном);

– основними білками (гістонами, протамінами);

– катіонами металів (Са2+, Mg2+, Fe2+).

В’язкість та оптична активність

Висока молекулярна маса і велика довжина молекул ДНК зумовлюють високу

в’язкість навіть дуже розбавлених їх розчинів. В’язкість молекул ДНК у розчині

залежить від їх конформації і суттєво змінюється за умов денатурації та рена-

турації (див.нижче), що дозволяє використовувати віскозиметричні методи для

дослідження кінетики цих процесів.

Поглинання в УФ-ділянці

Азотисті сполуки (та відповідні нуклеотиди), що входять до складу нуклеїнових кислот

ДНК і РНК, мають властивість поглинати ультрафіолетове світло при 260 нм.

За умов утворення полінуклеотидів взаємний вплив паралельно розташованих по

довжині молекули ДНК пар азотистих основ супроводжується певним зниженням

УФ-поглинання. Таким чином, поглинання при 260 нм нативної молекули ДНК дещо

нижче (в середньому на 40 %) від відповідного поглинання суми азотистих основ, що

входять доскладу полінуклеотиду — гіпохромний ефект. При порушенні

високовпорядкованої двоспіральної конформації ДНК та структурних взаємовідносин

між азотистими основами спостерігається гіперхромний ефект, тобто зростання

поглинання розчинів молекул ДНК при 260 нм, що дозволяє досліджувати процес

денатурації.

Денатурація ДНК — це порушення нативної двоспіральної конформації молекул

ДНК та їх упорядкованого просторовогорозташування з утворенням невпорядкованих одноланцюгових клубків. За умовденатурації ковалентні зв’язки в ДНК зберігаються, проте відбувається розкручуванняподвійної спіралі з втратою специфічних взаємодій між азотистими основами. Ренатурація — відновлення нативноївторинної конформації ДНК, що спостерігається за певних умов. Денатурація ДНК супроводжується гіперхромним ефектом та зменшенням в’язкості її розчинів

 

20 Хімічна природа ферментів. Загальна характеристика ферментів як біологічних каталізаторів

Ферменти — специфічні білки, в основі каталітичної дії

яких лежать загальні фізико-хімічні та термодинамічні за-

кономірності хімічної кінетики. Білкову природу ферментів

беззаперечно довів Дж.Самнер (1926), який отримав перші

кристалічні препарати ферменту уреази.

Властивості ферментів

– ферменти значно підвищують швидкість перебігу біохі-

мічних реакцій, але не входять до складу кінцевих продуктів

реакції;

– ферменти забезпечують перебіг лише тих біохімічних

реакцій, які можливі, виходячи із законів термодинаміки;

– ферменти прискорюють швидкість як прямої, так і зво-

ротної реакції перетворення субстрату, не змінюючи конс-

танти рівноваги (Кр) реакції та зменшуючи термін часу до

досягнення стану рівноваги (або стаціонарного стану у від-

критій метаболічній системі);

– протягом реакції фермент певним чином взаємодіє із

субстратом, що перетворюється, але до складу кінцевих

продуктів реакції не входить. Під час перебігу біохімічної

реакції, що каталізується, відбувається циклічний процес, вперетворенню з утворенням продукту реакції та регене-

рацією ферменту;

– ферменти є високоспецифічними каталізаторами,

тобто діють, як правило, на структурно близькі субстра-

ти, що мають певний хімічний зв’язок, структурно подібні

радикали або функціональні групи. Проявом високої

специфічності ферментів є їх стереоспецифічність,

тобто здатність перетворювати тільки певні стереоізо-

мери, наприклад L- або D-амінокислоти, D- або L-мо-

носахариди;

– відповідно до білкової природи, каталітична активність ферментів дуже

чутлива до змін фізико-хімічних властивостей середовища (рН, температури),

які можуть впливати на структурну організацію молекул ферментів, спричиняючи

в певних умовах їх денатурацію;

– активність ферментів може суттєво змінюватися під впливом певних хімічних

сполук, що збільшують (активатори) або зменшують (інгібітори) швидкість

реакції, яка каталізується.

 

Певні хімічні сполуки здатні специфічним чином порушувати електронний

транспорт (інгібітори електронного транспорту) та окисне фосфорилювання

(інгібітори та роз’єднувачі окисного фосфорилювання) в мітохондріях. Дані

сполуки взаємодіють з певними компонентами дихального ланцюга або систе-

мами окисного фосфорилювання, порушуючи їх біохімічні функції.

Інгібітори електронного транспорту

Сполуки цього класу порушують функціонування дихального ланцюга міто-

хондрій за рахунок зв’язування з окремими ферментними білками або кофермен-

тами, що беруть безпосередню участь у переносі електронів від субстратів біо-

логічного окислення на О2. При надходженні в організм людини або тварин ці

речовини діють як клітинні отрути, спричиняючи феномен тканинної гіпоксії.

Ротенон — інгібітор транспорту електронів через НАДН-коензим Q-редук-

тазний комплекс. Ротенон застосовується як інсектицид.

Амобарбітал (амітал) та близький до нього за структурою секобарбітал

(секонал). Ці похідні барбітурової кислоти (барбітурати) застосовуються у фарма-

кології як снодійні засоби. Разом з тим, барбітурати, подібно до ротенону, є

активними інгібіторами клітинного дихання, блокуючи електронний транспорт на

рівні НАДН-коензим Q-редуктази.

Пієрицидин А — антибіотик, що також блокує НАДН-коензим Q-редуктазний

комплекс за рахунок конкурентної взаємодії з убіхіноном.

Антиміцин А — антибіотик, що блокує дихальний ланцюг мітохондрій на рівні

переносу електронів через комплекс III (цитохром b — цитохром c1).

Ціаніди (іони CN –) — потужні клітинні отрути, що є інгібіторами транспорту

електронів на термінальній ділянці дихального ланцюга мітохондрій (у цито-

хромоксидазному комплексі). Іони CN – утворюють комплекси з ферри (Fe3+) —

формою молекул гему цитохромоксидази, блокуючи їх відновлення до ферро

(Fe2+) — форм.

Монооксид вуглецю (CO) — інгібірує цитохромоксидазу шляхом зв’язування

з ділянкою гему, що взаємодіє з молекулою кисню

Інгібітори окисного фосфорилювання

Інгібітори окисного фосфорилювання блокують як окислення субстратів, так і

фосфорилювання АДФ у мітохондріях.

Олігоміцин — антибіотик, що протидіє як фосфорилюванню АДФ до АТФ,

так і стимуляції поглинання О2, що спостерігається після додавання до мітохондрій

АДФ (феномен “дихального контролю”). Механізм дії олігоміцину полягає в інгібі-

руванні функції АТФ-синтетази.

Роз’єднувачі окисного фосфорилювання

Сполуки цього класу спричиняють “неконтрольоване” дихання мітохондрій,

яке не залежить від функціонування системи фосфорилювання АДФ. В присут-

ності роз’єднувачів спостерігається активне поглинання мітохондріями О2, незва-

жаючи на зниження швидкості (або відсутність) генерації АТФ з АДФ та Фн.

Згідно з хеміоосмотичною теорією, роз’єднувачі спричиняють втрату мембраною

протонного потенціалу — рушійної сили генерації макроергічних зв’язків АТФ.

До роз’єднувачів окисного фосфорилювання належать:

– 2,4-динітрофенол та сполуки, близькі до нього за хімічною структурою

(динітрокрезол, пентахлорфенол);

– СССР (карбонілціанід-м-хлорфенілгідразон) — сполука, що в 100 разів пере-

вищує за специфічною активністю 2,4-динітрофенол.

Здатність роз’єднувати дихання та окисне фосфорилювання в мітохондріях

мають також гормони щитовидної залози (тироксин, трийодтиронін).