Реферат Нуклеиновые кислоти

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Нуклеиновые кислоти, біополімери, які з залишків фосфорної кислоти, цукрів і азотистих підстав (пуринов і пиримидинов). Мають фундаментальне біологічне значення, оскільки перебувають у закодованому вигляді всю генетичну інформацію будь-якого живого організму, від чоловіка до бактерій і вірусів, передану від однієї покоління іншому.

Нуклеиновые кислоти були вперше виділено з клітин гною чоловіки й сперми лосося швейцарським лікарем і біохіміком Ф.Мишером між 1869 і 1871. Згодом було встановлено, що є два типу нуклеїнових кислот: рибонуклеиновая (РНК) і дезоксирибонуклеиновая (ДНК), проте їх функції довго залишалися невідомими.

У 1928 англійський бактеріолог Ф.Гриффит виявив, що убиті патогенні пневмококки можуть змінювати генетичні властивості живих непатогенних пневмококков, перетворюючи їх у патогенні. У 1945 мікробіолог О.Эвери з Рокфеллерського інституту, у Нью-Йорку зробив важливе відкриття: а також, що спроможність до генетичної трансформації обумовлена перенесенням ДНК з однієї клітини до іншої, отже, генетичний матеріал є ДНК. У 1940–1950 Дж.Бидл і Э.Тейтум з Станфордского університету (прим. Каліфорнія) виявили, що синтез білків, зокрема ферментів, контролюється специфічними генами. У 1942 Т.Касперсон у Швеції та Ж.Браше у Бельгії відкрили, що нуклеїнових кислот що багато у клітинах, активно які синтезують білки. Всі ці дані наводили на думку, що генетичний матеріал – це нуклеїнова кислота і що вона якось бере участь у синтезі білків. Однак те час багато хто вважав, що молекули нуклеїнових кислот, попри її велику довжину, мають занадто просту періодично повторювану структуру, щоб нести досить інформації та служити генетичним матеріалом. Але наприкінці 40-х років Э.Чаргафф до й Дж.Уайатт у Канаді, використовуючи метод розподільній хроматографії на папері, показали, що структура ДНК менш проста і це молекула може бути носієм генетичної інформації.

Структура ДНК встановили 1953 М.Уилкинсом, Дж.Уотсоном і Ф.Криком в Англії. Це фундаментальне відкриття дозволило зрозуміти, як відбувається подвоєння (реплікація) нуклеїнових кислот. Згодом американські дослідники А.Даунс і Дж.Гамов припустили, що структура білків якимось чином закодована в нуклеїнових кислотах, а до 1965 ця гіпотеза було підтверджено багатьма дослідниками: Ф.Криком в Англії, М.Ниренбергом і С.Очоа США, Х.Кораной таки в Індії. Всі ці відкриття, результат столітнього вивчення нуклеїнових кислот, справили справжню революцію у біології. Вони дозволили пояснити феномен життя жінок у рамках взаємодії між атомами і молекулами.

Типи й поширення. Як ми вже говорили, є дві типу нуклеїнових кислот: ДНК і РНК. ДНК є у ядрах всіх рослинних і тварин клітин, де знаходиться комплексно з білками, і є складовою хромосом. У особин кожної конкретної виду зміст ядерної ДНК звичайно однаково переважають у всіх клітинах, крім гамет (яйцеклітин і сперматозоїдів), де ДНК вдвічі нижча. Отже, кількість клітинної ДНК видоспецифично. ДНК знайшли і це поза ядра: в мітохондріях («енергетичних станціях» клітин) й у хлоропластах (частинках, де у рослинних клітинах йде фотосинтез). Ці субклітинні частки мають деякою генетичної автономією.

Бактерії і ціанобактерії (синьо-зелені водорості) містять замість хромосом одну чи дві потужні молекули ДНК, пов'язані із кількістю білка, і найчастіше – молекули ДНК меншого розміру, звані плазмідами. Плазмиды несуть корисну генетичну інформацію, наприклад містять гени опірності антибіотиків, але не для життя самої клітини неістотні.

Певний кількість РНК є у клітинному ядрі, основна її маса перебуває у цитоплазмі – рідкому вмісті клітини. Бльшую значна її частина становить рибосомная РНК (рРНК). Рибосомы – це дрібні тільця, у яких йде синтез білка. Невелика кількість РНК представлено транспортної РНК (тРНК), що також бере участь у білковому синтезі. Проте обидва цих класу РНК не несуть інформації про структуру білків – таку інформацію криється у матричної, чи інформаційної, РНК (мРНК), частку якої лише невелику частину сумарною клітинної РНК.

Генетичний матеріал вірусів представлений або ДНК, або РНК, але ніколи обома одночасно.

Загальні властивості

Молекули нуклеїнових кислот містять безліч негативно заряджених фосфатних груп, і утворюють комплекси з іонами металів; їх калієва і натрієва солі добре розчиняються у воді. Концентрированные розчини нуклеїнових кислот дуже грузлі і трохи опалесцируют, а твердому вигляді ці речовини білі. Нуклеиновые кислоти сильно поглинають ультрафіолетовий світло, і це властивість є основою визначення їхніх концентрації. З цим самим властивістю пов'язане й мутагенний ефект ультрафіолетового світла.

Довгі молекули ДНК тендітні і легко ламаються, наприклад при продавлюванні розчину через шприц. Тому роботу з высокомолекулярными ДНК вимагає особливої обережності.

Хімічна структура. Нуклеиновые кислоти це довгі ланцюжка, які з чотирьох багаторазово повторюваних одиниць (нуклеотидів). Їх структуру можна так:

Символ Ф позначає фосфатную групу. Чередующиеся залишки цукру й фосфорної кислоти утворюють сахарофосфатный остов молекули, однаковий в усіх ДНК, а величезне їхню розмаїтість обумовлюється тим, що чотири азотистих підстави можуть розташовуватися вздовж ланцюзі у найрізноманітнішої послідовності.

Сахаром в нуклеїнових кислотах є пентоза; чотири з п'яти її вуглецевих атомів разом із одним атомом кисню утворюють кільце. Атоми вуглецю пентози позначають номерами від 1 до 5 . У РНК цукор представлений рибозой, а ДНК дезоксирибозой, що містить однією атом кисню менше. Фрагменти полинуклеотидных ланцюгів ДНК і РНК показані малюнку.

Оскільки фосфатні групи приєднано до цукру асиметрично, у заключних положеннях 3 і п'яти , молекула нуклеїнової кислоти має певний напрям. Сложноэфирные зв'язок між мономерными одиницями нуклеїнових кислот чутливі до гидролитическому розщеплення (ферментативному чи хімічному), який призводить до вивільненню окремих компонентів як невеликих молекул.

Азотистые підстави – це плоскі гетероциклические сполуки. Вони приєднано до пентозному кільцю за станом 1 . Більші підстави мають два кільця і називаються пуринами: це аденін (А) і гуанін (Р). Підстави, менші за величиною, мають одне каблучку й називаються пиримидинами: це цитозин (Ц), тимин (Т) і урацил (У). У ДНК входять підстави А, Р, Т і Ц, в РНК замість Т присутній У. Останній відрізняється від тиміну тим, що він відсутня метильная група (CH3). Урацил є у ДНК деяких вірусів, де зараз його виконує таку ж функцію, як і тимин.

Трехмерная структура. Важливою особливістю нуклеїнових кислот є регулярність просторового розташування складових атомів, встановлена рентгеноструктурним методом. Молекула ДНК і двох протилежно спрямованих ланцюгів (іноді містять мільйони нуклеотидів), які утримує разом водневими зв'язками між підставами:

Водородные зв'язку, що з'єднують підстави протилежних ланцюгів, ставляться до категорії слабких, але завдяки їхній численності в молекулі ДНК вони міцно стабілізують її структуру. Але якщо розчин ДНК нагріти приблизно до 60 З, ці зв'язку рвуться й ланцюга розходяться – відбувається денатурація ДНК (плавлення).

Обидві ланцюга ДНК закручені спіраллю щодо уявлюваного осі, нібито вони навиті на циліндр. Ця структура називається подвійний спіраллю. Кожна виток спіралі доводиться десять пар підстав.

Правило комплементарності. Вотсон і Крік показали, що освіта водневих зв'язків і регулярної подвійної спіралі можна тільки тоді, коли понад велике пуриновое підставу аденін (А) лише у ланцюга має своїм партнером на другий ланцюга менше за величиною пиримидиновое підставу тимин (Т), а гуанін (Р) пов'язані з цитозином (Ц). Цю закономірність можна так:

Відповідність А Т і Р Ц називають правилом комплементарності, не бажаючи ланцюга комплементарними. Відповідно до цього правилу, зміст аденіну в ДНК завжди одно змісту тиміну, а кількість гуанина – кількості цитозина. Слід зазначити, дві ланцюга ДНК, розрізняючи хімічно, несуть однакову інформацію, оскільки внаслідок комплементарності одна ланцюг однозначно задає іншу.

Структура РНК менш впорядкована. Зазвичай це одноцепочечная молекула, хоча РНК деяких вірусів і двох ланцюгів. Але така РНК гнучкіша, ніж ДНК. Деякі ділянки в молекулі РНК взаємно комплементарны і за згинанні ланцюга спаровуються, створюючи двухцепочечные структури (шпильки). Передусім це стосується транспортним РНК (тРНК). Деякі підстави у тРНК піддаються модифікації вже після синтезу молекули. Наприклад, часом трапляється приєднання до них метильных груп.

Функція нуклеїнових кислот

Одне з основних функцій нуклеїнових кислот полягає у детермінації синтезу білків. Інформації про структурі білків, закодована в нуклеотидної послідовності ДНК, повинна передаватися від однієї покоління до іншого, і тож треба її безпомилкове копіювання, тобто. синтез такий самий ж молекули ДНК (реплікація).

Репликация і транскрипція. З хімічної погляду синтез нуклеїнової кислоти – це полімеризація, тобто. послідовне приєднання будівельних блоків. Такими блоками служать нуклеозидтрифосфаты; реакцію можна так:

Енергія, необхідна для синтезу, вивільняється при отщеплении пирофосфата, а катализируют реакцію особливі ферменти – ДНК-полимеразы.

Таке синтетичного процесу ми б полімер зі випадкової послідовністю підстав. Проте оскільки більшість полимераз працює лише у присутності вже існуючої нуклеїнової кислоти –матриці, яка диктувала, що саме нуклеотид приєднається до кінця ланцюга. Цей нуклеотид може бути комплементарен відповідному нуклеотиду матриці, отже нова ланцюг виявляється комплементарної вихідної. Використовуючи потім комплементарную ланцюг як матриці, ми матимемо на точну копію оригіналу.

ДНК і двох взаємно комплементарных ланцюгів. У результаті реплікації вони розходяться, і з них служить матрицею для синтезу нової ланцюга:

Так утворюються дві нові подвійні спіралі з тією ж послідовністю підстав, як і в вихідної ДНК. Іноді у процесі реплікації відбувається «збій», і виникають мутації .

Через війну транскрипції ДНК утворюються клітинні РНК (мРНК, рРНК і тРНК):

Вони комплементарны одній з ланцюгів ДНК і є копією інший ланцюга, крім те, що місце тиміну вони займає урацил. У такий спосіб можна отримати роботу безліч РНК-копий одній з ланцюгів ДНК.

У нормальної клітині передача інформації відбувається лише у бік ДНК ДНК і ДНК РНК. Однак у клітинах, інфікованих вірусом, можливі й інших процесів: РНК РНК і РНК ДНК. Генетичний матеріал багатьох вірусів представлений молекулою РНК, зазвичай одноцепочечной. Пробравшись у клетку-хозяина, ця РНК реплицируется із заснуванням комплементарної молекули, де, своєю чергою, синтезується безліч копій вихідної вірусної РНК:

Вірусна РНК може транскрибуватися ферментом зворотної транскриптазой в ДНК, яка іноді входить у хромосомну ДНК клетки-хозяина. Нині ця ДНК несе вірусні гени, і після транскрипції у клітині може з'явитися вірусна РНК. Отже, через тривалий час, протягом якого ніякого вірусу у клітині немає, знову у ній з'явиться без повторного зараження. Віруси, генетичний матеріал яких входить у хромосому клетки-хозяина, часто є причиною раку.

Трансляція нуклеїнових кислот в білки. Генетична інформація, закодована в нуклеотидної послідовності ДНК, перекладається як мовою нуклеотидної послідовності РНК, а й у мову амінокислот – мономерных одиниць білків.

Белковая молекула – це ланцюжок з амінокислот. Кожна амінокислота містить кислу карбоксильную групу –COOH і оснвную аминогруппу

–NH2. Карбоксильная група однієї амінокислоти пов'язують із аминогруппой інший, створюючи амидную зв'язок, і цей процес триває, доки утворюється ланцюг, що містить до 1000 амінокислот .

У білках присутній 20 різних амінокислот, від послідовності яких залежать їхньої природи і функції. Ця послідовність визначається нуклеотидної послідовністю відповідного гена – ділянки ДНК, що кодує даний білок. Проте сама ДНК перестав бути матрицею при синтезі білка. Спочатку вона транскрибується в ядрі із заснуванням матричної РНК (мРНК), яка дифундує в цитоплазму, і ній, як на матриці синтезується білок. Процес пришвидшується тому, що у кожної молекулі мРНК може водночас синтезуватися безліч білкових молекул.

Репликация нуклеїнових кислот здійснюється завдяки освіті водневих перетинів поміж комплементарними підставами вихідної і дочірньою ланцюгів. Аминокислоты не утворюють водневих зв'язку з підставами, отже пряме копіювання матриці неможливо. Вони взаємодіють із матрицею опосередковано, через «адапторные» нуклеїнові кислоти – невеликі молекули транспортних РНК (тРНК), котрі перебувають з майже 80 підстав та найздібніші зв'язуватися з мРНК.

Кожна тРНК містить специфічну послідовністю трьох підстав, антикодон, який комплементарен групі із трьох підстав, кодону, в мРНК. Антикодоны взаємодіють із кодонами за правилом комплементарності, приблизно таке ж, як взаємодіють дві ланцюга ДНК. Отже, послідовність підстав в мРНК визначає порядок приєднання тРНК, несучих амінокислоти. Схематично перенесення інформації від ДНК до білка можна так:

Послідовність підстав в ДНК задає порядок прямування амінокислот в білці, бо кожна амінокислота приєднується специфічним ферментом лише у певним тРНК, інші ж, своєю чергою, – лише у певним кодонам в мРНК. Комплекси тРНК-аминокислота пов'язуються з матрицею за одним у кожний цей час часу. Нижче перераховані основні етапи білкового синтезу (див. також малюнок).

1. Ферменти, звані аминоацил-тРНК-синтетазами, приєднують амінокислоти до відповідним тРНК. Таких ферментів 20, за одним кожної амінокислоти.

2. Молекула мРНК приєднується своїм першим кодоном до невеликої частинки, званої рибосомой. Рибосомы складаються десь із рівних кількостей рРНК й білків. Структура й третя функція рибосом дуже складні, але головна їх завдання – полегшення взаємодії мРНК і тРНК і прискорення полімеризації амінокислот, що з різними тРНК.

3. тРНК, навантажена амінокислотою, пов'язують із відповідним кодоном мРНК, яка, своєю чергою, контактує з рибосомой. Утворюється комплекс рибосома-мРНК-тРНК-аминокислота.

4. мРНК, подібно стрічці на конвеєрі, просувається по рибосоме однією кодон вперед.

5. Наступна тРНК, навантажена амінокислотою, приєднується до другого кодону.

6. Перша й друга амінокислоти зв'язуються між собою.

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація