Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты получили своё название исходя из места их наибольшей концентрации. В ядрах клеток их наибольшее количество. Ядро — от латинского «нуклеус». Поэтому и кислоты называют нуклеиновыми.

Помимо ядра, нуклеиновые кислоты также обнаружены в цитоплазме, митохондриях и пластидах.

Нуклеиновые кислоты состоят из мономеров нуклеотидов. А нуклеотиды состоят из фосфорной группы, пятиуглеродного сахара (пентозы) и азотистого основания.

Остаток фосфорной кислоты, связанный с пятым атомом С (углерода) в пентозе,

может соединятся ковалентной связью с гидроксильной группой возле третьего атома С (углерода) другого нуклеотида.

На одном конце нуклеотидной цепочки располагается фосфат, он связан с пятым атомом пентозы. Этот конец называют (пять штрих) конец.

На другом конце около третьего атома пентозы остаётся не связанная с фосфатом ОН

группа — это (три штрих) конец.

При соединении двух нуклеотидов между углеродом остатка сахара одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает сложноэфирная связь. Таким образом, остатки сахаров двух нуклеотидов оказываются связаны фосфодиэфирными мостиками.

Возникновение фосфодиэфирных мостиков между 3' и 5'— углеродами остатков сахаров может происходить многократно. В результате образуются неразветвленные полинуклеотидные цепи.

В зависимости от углеводного компонента нуклеотидов различают два класса нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).

Название кислот обусловлено тем, что молекула РНК содержит рибозу, а ДНК содержит дезоксирибозу.

Таким образом, нуклеиновые кислоты различаются по составу и строению молекул, а также по выполняемым в клетке функциям.

Молекулы ДНК — это полимеры, мономерами которых являются дезоксирибонуклеотиды, образованные:

·         остатком пятиуглеродного сахара — дезоксирибозы;

·         остатком фосфорной кислоты;

и остатком одного из азотистых оснований.

Азотистые основания, которые являются производными пурина, называют пуриновыми. К ним относят аденин и гуанин.

Азотистые основания, которые являются производными пиримидина, называют пиримидиновыми. К ним относят цитозин, тимин.  

Азотистые основания определяют названия соответствующих нуклеотидов: адениловый, гуаниловый, тимидиловый и цитидиловый.

Структура молекулы ДНК

Она состоит из двух спирально закрученных полинуклеотидных цепей, которые по всей длине соединены друг с другом водородными связями. Такую структуру, свойственную только молекулам ДНК, называют двойной спиралью.

Внешняя сторона спиральной молекулы образована чередующимися остатками дезоксирибозы и фосфатными группами. Азотистые основания находятся внутри спирали.

Структура спирали такова, что входящие в её состав полинуклеотидные цепи могут быть разделены только после раскручивания спирали.

Диаметр двойной спирали ДНК составляет 2 нм, шаг общей спирали, на который приходится 10 пар нуклеотидов, — 3,4 нм.

Между аденином и тимином всегда возникают две, а между гуанином и цитозином — три водородные связи.

В связи с этим обнаруживается важная закономерность: против аденина одной цепи всегда располагается тимин другой цепи, против гуанина — цитозин и наоборот.

Таким образом, пары нуклеотидов аденин и тимин, а также гуанин и цитозин строго соответствуют друг другу и являются дополнительными (пространственное взаимное соответствие), или комплементарными (от лат. complementum — дополнение).

Комплементарностью называют способность нуклеотидов к избирательному соединению друг с другом.

Комплементарность обеспечивается взаимодополнением пространственных конфигураций молекул азотистых оснований; а также количеством водородных связей, возникающих между азотистыми основаниями.

Состав молекулы ДНК был известен задолго до открытия её структуры. В 1950 году американский биохимик Эрвин Чаргафф, обследовав огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, выявил следующующие закономерности, названные впоследствии правилами Чаргаффа.

Первое правило. Количество адениловых нуклеотидов в молекуле ДНК равно количеству тимидиловых, а количество гуаниловых — количеству цитидиловых.

Второе правило. Количество пуриновых азотистых оснований равно количеству пиримидиновых.

Третье правило Чаргаффа. Суммарное количество адениловых и цитидиловых нуклеотидов равно суммарному количеству тимидиловых и гуаниловых нуклеотидов, что следует из первого правила.

Джеймс Дью́и Уо́тсон и Фрэнсис Крик воспользовались этим правилом при построении модели молекулы ДНК. В 1953 году учёными была предложена трёхмерная модель пространственного строения молекулы ДНК в виде двойной спирали. За свои исследования они были удостоены Нобелевской премии.

Последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой, поэтому две цепи молекулы ДНК комплементарны друг другу.

Зная последовательность расположения нуклеотидов в одной цепи ДНК по принципу комплементарности, можно установить нуклеотиды другой цепи.

Фрагмент одной цепи ДНК имеет следующий состав: А—А—Г—Г—Ц—Ц—Ц—Т—Т—. Используя принцип комплементарности, достроим вторую цепь.

Репликация молекулы ДНК

Репликация — это сложный процесс самоудвоения молекулы ДНК, идущий с участием ферментов (ДНК— полимераз).

Это уникальное свойство молекулы ДНК — её способность к самоудвоению (воспроизведению точных копий исходной молекулы). Благодаря этой способности молекулы ДНК, осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним во время деления.

Репликация осуществляется полуконсервативным способом, то есть под действием ферментов молекула ДНК раскручивается.

Раскручивание молекулы происходит на небольшом отрезке (это несколько десятков нуклеотидов), называемом репликативной вилкой.

Около каждой цепи, выступающей в роли матрицы, по принципу комплементарности достраивается новая цепь.

В каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая вновь синтезированной (дочерней).

После окончания синтеза дочерних цепей ДНК раскручивается новый отрезок, и цикл репликации повторяется. Таким образом, репликативная вилка перемещается вдоль молекулы, пока не дойдёт до точки окончания синтеза.

ДНК— полимеразы способны двигаться в одном направлении — от 3'— конца к 5'— концу (от три штрих конца к пять штрих концу), строя дочернюю цепь антипараллельно — от 5' к 3'— концу. Эта цепь называется лидирующей.

Другая ДНК— полимераза движется по другой цепи (5'—3') в обратную сторону (тоже в направлении 3'к 5'), синтезируя вторую дочернюю цепь фрагментами (их называют фрагменты Оказаки). Фрагменты Оказаки после завершения репликации сшиваются в единую цепь. Эта цепь называется отстающей. Таким образом, на цепи 3'— 5' репликация идёт непрерывно, а на цепи 5'— 3' — прерывисто.

Строение молекулы РНК

В отличие от ДНК, она образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой. Обычно эта цепочка значительно короче цепей ДНК.

Рибонуклеиновые кислоты также является полимерами, мономерами которых служат рибонуклеотиды, образованные: остатком пятиуглеродного сахара — рибозы, остатком фосфорной кислоты и остатком одного из азотистых оснований. Три азотистых основания — аденин, гуанин и цитозин — такие же, как и у ДНК, а четвертым является урацил.

Нуклеотиды РНК, как и у ДНК, способны образовывать водородные связи между собой.

Информация о структуре молекулы РНК заложена в молекулах ДНК. Синтез молекул РНК происходит на матрице ДНК с участием ферментов РНК— полимераз и называется транскрипцией.

Если содержание ДНК в клетке относительно постоянно, то содержание РНК сильно колеблется. Наибольшее количество РНК в клетках наблюдается во время синтеза белка.

Типы РНК

Выделяют три основных типа РНК, различающихся по структуре, величине молекул, расположению в клетке и выполняемым функциям.

Информационная РНК, (иногда её называют матричной), а сокращённо — иРНК;

Транспортная РНК, или тРНК;

Рибосомальная РНК — рРНК.

Информационная РНК — это наиболее разнообразный по размерам и стабильности класс.

Все они являются переносчиками генетической информации из ядра в цитоплазму. Они служат матрицей для синтеза молекулы белка, т. к. определяют аминокислотную последовательность первичной структуры белковой молекулы.

Другими словами, на информационную РНК списывается информация с ДНК. А потом уже с информационной РНК будет считываться информация для построения белков.

Транспортная РНК. В клетке этих молекул более 30 разновидностей.

Каждый вид тРНК имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов. Третичная структура тРНК напоминает по форме лист клевера.

Аминокислоты, которые плавают в цитоплазме поступают в рибосому для дальнейшего построения белка ─ именно при помощи транспортной РНК.

Одна т— РНК несёт 1 аминокислоту. Однако т— РНК может захватить не любую аминокислоту, а строго определённую.

На вершине тРНК имеется последовательность трёх нуклеотидов, их называют антикодоном. Данный антикадон взаимосоответствует, то есть ─ комплементарен кодону в информационной РНК, с которым он связывается, и соответствует той аминокислоте, которую он переносит.

Подобнее данный процесс (синтез белка) будет рассмотрен позднее, на следующих уроках.

Рибосомальные РНК синтезируются в основном в ядрышке и составляют примерно 85% всех РНК клетки.

В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы — органеллы, на которых происходит синтез белка.

Рибосомы построены из двух субъединиц разного размера и формы. На определённых стадиях белкового синтеза в клетке происходит разделение рибосом на субъединицы.

Рибосомная РНК служит как бы каркасом рибосом и способствует первоначальному связыванию иРНК с рибосомой в процессе биосинтеза белка.

рРНК формирует активный центр рибосомы, в котором происходит образование пептидных связей между аминокислотами в процессе синтеза полипептидной цепи. 

Таким образом, различные типы РНК представляют собой единую функциональную систему, направленную на реализацию наследственной информации через синтез белка.

Все типы РНК, за исключением генетической РНК вирусов, не способны к самоудвоению и самосборке.

В качестве генетического материала РНК входят в состав ряда вирусов.

Таким образом, нуклеиновые кислоты — это важнейшие биополимеры, которые содержатся во всех без исключения живых организмах.

Нуклеиновым кислотам присущи три важнейшие функции: хранение, передача и реализация генетической информации. Кроме этих, они выполняют и другие функции, например участвуют в катализе некоторых химических реакций, выполняют структурные функции и др.

Нуклеиновые кислоты могут быть линейными и кольцевыми. Они могут состоять из одной или двух цепей.

Роль хранителя генетической информации у большинства организмов (эукариот, прокариот, некоторых вирусов) выполняют двухцепочечные ДНК.

Только у некоторых вирусов хранителем генетической информации являются одноцепочечные ДНК или одноцепочечные РНК.