Нуклеиновые кислоты

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ 

 

Нуклеопротеины – сложные белки, которые состоят из белковой части и небелковой части – простетической группы, которая представлена нуклеиновыми кислотами. Существует 2 типа нуклеопротеинов, которые отличаются по составу, размеру и физико-химическим свойствам: дезоксирибонуклеопротеины (ДНК) и рибонуклеопротеины (простетическая группа РНК). Дезоксирибонуклеопротеины преимущественно локализованы в ядре клеток и в митохондриях. Рибонуклеопротеины – в цитоплазме, ядре и ядрышках.

Белковая часть нуклеопротеинов представлена гистонами и негистоновыми белками. Различают 5 классов гистонов (Н1, Н2А, Н2В, Н3 и Н4), которые различаются по размерам, аминокислотному составу и заряду. Гистоновые белки имеют положительный заряд, который обусловлен наличием положительно заряженных аминокислот – аргинина и лизина. Негистоновые белки представлены сложными белками-ферментами, а также регуляторными белками и являются кислыми, т.е. имеют отрицательный заряд.

1. Структура нуклеиновых кислот

При гидролизе нуклеиновых кислот образуются пуриновые (аденин, гуанин) и пиримидиновые (тимин, цитозин, урацил) основания, углевод (рибоза или дезоксирибоза) и фосфорная кислота.

Рибоза Дезоксирибоза

 

 Отличиями в строении  ДНК и РНК являются: в ДНК  углевод дезоксирибоза, в РНК – рибоза; в ДНК содержится тимин, в РНК – урацил.

 

цитозин  тимин

урацил  аденин

 

 

гуанин

 

Известно, что структурными единицами нуклеиновых кислот являются мономерные молекулы – мононуклеотиды. Следовательно, нуклеиновые кислоты представляют собой полинуклеотиды. Мононуклеотиды легкообразуются при гидролизе ДНК и РНК в присутствии нуклеаз, состоят из трех специфических компонентов: азотистого основания, углевода и фос-форной кислоты.  Соединения азотистого (любого) основания и углевода (рибозы или дезоксирибозы), получившие название нуклеозидов, легко образуются из мононуклеотида при гидролитическом отщеплении фос-форной кислоты в присутствии щелочи или при участии специфических ферментов – нуклеотидаз. Нуклеозиды содержат пуриновое или пиримидиновое основание, соединенное с углеводом N-гликозидной связью.

В образовании гликозидной  связи в пуриновых нуклеотидах  принимает участие N-9 пурина и С-1' пентозы, а в пиримидиновых нуклеотидах  – N-1 пиримидина и С-1' пентозы. Для того, чтобы отличить углеродные атомы рибозы или дезоксирибозы от углеродных атомов, входящих в состав пуриновых или пиримидиновых оснований, первые принято обозначать символом «штрих».

Мононуклеотиды, присоединяя еще один остаток фосфата, образуют фосфоангидридную связь и превращаются в нуклеозиддифосфаты (соответственно они обозначаются сокращенно АДФ, ГДФ, УДФ, ЦДФ и ТДФ). Последние, присоединяя еще один остаток фосфата, образуют нуклеозидтрифосфаты (соответственно обозначаются АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ и ТТФ). аденозин-5- трифосфат

 

Нуклеотиды в нуклеиновых кислотах связаны 3’,5’-фосфодиэфирными связями, которая возникает между 3’-ОН группой углевода одного нуклеотида и 5’-ОН группой углевода другого нуклеотида.

основание основание основание

пентоза пентоза пентоза

 

РНК – одноцепочечная молекула. Однако при наличии в цепи РНК участков с комплементарной последовательностью единичная цепь РНК способна сворачиваться с образованием так называемых «шпилек», структур, имеющих двуспиральные характеристики.

Для понимания ряда особенностей первичной структуры ДНК важное значение имеют закономерности количественного содержания азотистых оснований, установленные впервые Э.Чаргаффом в 1949 году и названные правилами Чаргаффа:

1. Количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых оснований.

2. Количество аденина и цитозина равно количеству гуанина и Тимина.

3. Количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина равно количеству цитозина.

4. Коэффициент специфичности, который отражает для эукариот этот коэффициент ниже единицы (0,54 – 0,94), для прокариот – выше единицы.

 

В соответствии с моделью  Уотсона и Крика (1953 г.) вторичная структура ДНК молекула ДНК состоит из 2-х цепей, образуя правовращающую спираль, в которой обе полинуклеотидные цепи закручены вокруг одной и той же оси. Удерживаются полинуклеотидные цепи водородными связями, образующимися между комплементарными азотистыми основаниями: между А и Т – две водородные связи, Ц и Г – три водородные связи. Азотистые основания расположены внутри спирали, а фосфорные остатки и углеводные компоненты – снаружи. Кроме водородных связей в стабилизации молекулы ДНК принимают участие силы гидрофобного взаимодействия, образующегося между плоскостями оснований внутри данной цепи.

ДНК в клетке имеет  длину 1,74 м, поэтому понятно, что в ядре происходит упаковка ДНК. Третичная структура ДНК прокариот может образовываться в результате дополнительного скручивания в пространстве двуспиральной молекулы с образованием суперспирали или суперкольца. У высших организмов ДНК находится в хромосомах, которые при митозе видны в световой микроскоп. В каждой хромосоме находится молекула ДНК, которая составляет основу хроматина. Хроматин – комплекс ДНК с РНК и белками (ДНК 30-45%, гистоны 30-50%, негистоновые белки 4-30%, РНК до 10%).

Основные функции ДНК: 1) хpанение запаса генетической инфоpмации, необходимой для кодиpования стpуктуpы  всех белков и всех РНК каждого  вида оpганизма; 2) pегуляция во вpемени  и пpостpанстве биосинтеза компонентов  клеток и тканей; 3) опpеделение деятельности оpганизма в течение его жизненного цикла; 4) обеспечение индивидуальности данного оpганизма.

 

2. Виды и  функции РНК

 

Все типы РНК пpедназначены  для снятия инфоpмации о стpуктуpе  белка с ДНК и обеспечения  биосинтеза белка в соответствии с этой инфоpмацией. РНК является одиночной полинуклеотидной цепью, постpоенной из четыpех основных типов pибонуклеотидов - АМФ, ГМФ, ЦМФ и УМФ.

Различают следующие  типы РНК:

Инфоpмационная, или матричная РНК (м- или и-РНК), м.м. 25000-1000000 Да, состоит из 75-300 нуклеотидов, синтезиpуется в ядpе из пpе-м-РНК; составляет 5-7% от всей клеточной РНК. Выполняют функции матриц белкового синтеза, определяют аминокислотную последовательность белка.

Транспортные РНК (тРНК) – около 15%. Транспортные РНК обладают небольшой молекулярной массой (~ 25 000) и содержатся в растворимой фракции цитоплазмы, выполняя функцию переноса аминокислот к месту синтеза белка – рибосоме. Содержат около 75 нуклеотидов.

Рибосомные РНК (рРНК) – 80-85%, имеют разную и значительно большую молекулярную массу (35000-1000000, что соответствует 100-3100 нуклеотидам), являются структурными компонентами рибосом.

 

3. Свободные нуклеотиды

К свободным нуклеотидам  относятся нуклеозидтрифосфаты: АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ, ТТФ, а также ц-АМФ, ц-ГМФ.

АТФ – универсальный аккумулятор энергии в живых организмах и субстрат для биосинтеза НК. В норме в тканях на долю АТФ приходится 75% адениновых нуклеотидов. В клетках энергия, накопленная в виде АТФ, используется в многочисленных процессах: различные формы движения, внутриклеточный транспорт ионов и других веществ, биосинтез белков, НК, жирных кислот, липидов, углеводов.  Адениновые нуклеотиды в организме человека понижают кровяное давление, активируют мускулатуру матки, усиливают сократительную деятельность сердечной мышцы, поэтому находят применение при спазмах сосудов, миокардиодистофии, мышечной дистрофии и др. В крови здорового человека содержание АТФ составляет 48,8мг\100 мл. При авитаминозах PP, В1, В2, К, при недостатке кислорода синтез АТФ в тканях уменьшается. Падение уровня АТФ в крови наблюдается при циррозе печени, инфаркте миокарда, при травмах черепа и опорно-двигательного аппарата, при бронхиальной астме, пневмониях.

Особую роль в организме  играет ц-АМФ, который является посредником  в осуществлении функций различных гормонов и других БАВ.

циклическая АМФ 

Адреналин, глюкагон, а  также секретин, окситоцин, простагландины изменяют активность аденилатциклазы  и осуществляют свое действие с помощью ц- АМФ. ц-АМФ представляет собой универсальный эффектор, споосбный изменять активность разнообразных внутриклеточных ферментов.

 

4. МАТРИЧНЫЕ СИНТЕЗЫ

 

Существует 3 вида передачи наследственной информации: 1)  ДНК ® ДНК – репликация; 2) ДНК ® РНК – транскрипция и 3) РНК ® белок – трансляция.

ДНК является макромолекулой, которая переносит генетическую информацию от поколения к поколению. Одна клетка млекопитающих содержит только несколько пикограмм (10^-12 г) ДНК.

    

4.1. Репликация

Репликация - процесс  передачи генетической информации от ДНК к ДНК. Протекает в S-фазу клеточного цикла.

Репликация происходит полуконсервативным способом. Полуконсервативный способ означает, что цепи материнской молекулы ДНК расходятся и каждая служит матрицей для синтеза новой комплементарной последовательности. Две образовавшиеся двуспиральные молекулы ДНК, каждая из которых состоит из одной родительской и одной вновь синтезированной комплементарной цепи, распределяются между двумя дочерними клетками. Таким образом, каждая из дочерних клеток получают информацию, идентичную той, которой обладала родительская клетка.

Основное функциональное значение процесса репликации ДНК заключается в снабжении потомства генетической информацией. Для обеспечения генетической стабильности организма и вида ДНК должна реплицироваться полностью и с очень высокой точностью.

Условия, необходимые для репликации

1. Матрица, которой является неспаренная цепь ДНК.

2. Субстраты синтеза, которыми являются дезоксинуклеозидтрифосфаты (дАТФ, дГТФ, дЦТФ, ТТФ).

3. Ферменты и белковые факторы, участвующие в синтезе ДНК:

Все ферменты и белковые факторы, участвующие в репликации, образуют макромолекулярный комплекс, называемый реплисомой.

Различают 3 стадии репликации: инициации, элонгации и терминации.

Стадия инициации

1. Репликация ДНК начинается одновременно во многих точках (их число может превышать тысячу), которые называются точками инициации.

2. К точкам инициации присоединяются ферменты хеликазы (helix - спираль), которые расплетают короткие участки ДНК. На разделение каждой пары оснований расходуется энергия гидролиза двух молекул АТФ.

3. Как только небольшой участок ДНК оказывается расплетенным, к каждой из разделившихся цепей прочно присоединяются несколько молекул ДНК-связывающего белка, которые препятствуют образованию комплементарных пар и обратному восстановлению цепей.

4. В результате расплетения молекулы ДНК образуются репликационные пузыри, каждый их которых состоит из 2 репликативных вилок. Процесс репликации происходит в обеих репликативных вилках, но имеет противоположное направление, что обусловлено антипараллельностью молекулы ДНК.

5. В каждой репликативной вилке выделяют 3' и 5' концы. Синтез дочерних нитей ДНК происходит всегда в направлении 5'®3'. Стадия инициации завершается синтезом праймера - короткого фрагмента РНК, состоящего из 10 рибонуклеотидов, комплементарных одной из цепи матричной ДНК. Синтез праймера осуществляется ферментом ДНК-зависимой-РНК-полимеразой или праймазой. Синтез праймера необходим для фермента ДНК-полимеразы III, который не может начать синтез дочерней нити ДНК на "пустом" месте. 3’-ОН группа концевого рибонуклеотида праймера служит затравкой для синтеза ДНК под действием ДНК-полимеразы III.

Стадия  элонгации

1. К 3’-ОН группе праймера присоединяется ДНК-полимераза III которая по принципу комплементарности синтезирует дочернюю цепь ДНК в направлении 5’®3’. Если направление синтеза дочерней цепи ДНК и направление движения репликативной вилки совпадают, то цепь синтезируется непрерывно и называется лидирующей.

2. Если направление синтеза ДНК и движение репликативной вилки не совпадают – цепь синтезируется фрагментами и называется запаздывающей. Фрагменты, синтезиpованные в запаздывающей цепи, называются фрагментами Рейджи Оказаки и состоят из 1000-2000 нуклеотидов у пpокаpиот и 100-200 нуклеотидов у эукариот.

3. После завеpшения синтеза фpагмента Оказаки РНК-затpавка (пpаймеp) удаляется нуклеотид за нуклеотидом с помощью 5'®®3' экзонуклеазной активности ДНК-полимеpазы I. По мере отщепления рибонуклеотидных мономеров каждый из них замещается на соответствующий дезоксирибонуклеотид в ходе полимеpазной pеакции, осуществляемой ДНК-полимеpазой I (пpи этом в качестве затpавки используется 3'-конец пpедыдущего фpагмента Оказаки). Новый фрагмент Оказаки присоединяется к отстающей цепи ДНК с помощью феpмента ДНК-лигазы. Источником энергии для этой pеакции у эукаpиот служит АТФ. ДНК-лигаза не может соединить две молекулы одноцепочечной ДНК. Цепи ДНК, соединяемые ДНК-лигазой, должны быть частью двухцепочечной молекулы ДНК.

Теpминация синтеза ДНК наступает вследствие исчеpпания матpицы. Репликационные пузыри сливаются, молекулы дочерней цепи ДНК сшиваются ДНК-лигазой и на каждой матpице обpазуется дочеpняя цепь ДНК.

Множество химических и физических агентов (ионизирующая радиация, УФО, алкилирующие агенты) вызывают в ДНК повреждения 4 основных типов.