Нуклеиновые кислоты

Откуда аминокислоты узнают, в каком порядке и количестве им «строиться», чтобы образовать нуж­ный белок? Для этого в клетке существуют нуклеи­новые кислоты — ДНК и РНК. Свое название нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus — ядро) получили из-за того, что впервые были выделены из ядер лейкоцитов еще во второй половине XIX в. швейцарским биохимиком Ф. Мишером. Позже было обнаружено, что нуклеи­новые кислоты могут находиться не только в ядре, но и в цито­плазме (прокариотических клеток и вирусов) и в органеллах клетки (митохондриях и хлоропластах). Нуклеиновые кислотыобразуют самые крупные молекулы, синтезируемые живыми организмами. Они существуют в виде полимерных макромолекул, участвующих в хранении и передаче наследственной информации. Молекулы ДНК вместе с белками-гистонами образуют вещество хромосом. Вторичная структура ДНК была установлена метода­ми рентгеноструктурного анализа в 1953г американским биохимиком Дж. Уотсоном и англий­ским биофизиком и генетиком Ф. Криком удо­стоенными вместе с английским биофизиком М. Уилкинсоном получившим рентгенограмму ДНК, Нобелевской премии 1962 г.

Существует два типа нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая ки­слота (РНК). Дезоксирибонуклеиновая кислота выполняет функцию хранения наследственной информации, а рибонуклеиновая кислота служит посредником между ДНК и белками, обеспечивая считывание наследственной информации. При помощи РНК осуществляется синтез белков в соответствии с записанными в молекуле ДНК «инструкциями».В управленческой структуре на «фабрике жизни» ДНК представляет законодательную власть, а РНК — исполнитель­ную. РНК не имеет двойной спиральной структуры и по­строена как часть одной из двух нитей ДНК. Молекулы нуклеиновых кис­лот (ДНК и РНК) — «закручены» только вправо, т. е. обладают D-конфигурацией.

Мономерные звенья цепи нуклеиновых кислот называются нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из трех частей: азотсодержаще­го основания, пятиуглеродного сахара (пентозы) и одной фосфатной группы, соединенных ковалентными связями (рис. 4).

Фосфорная кислота Сахар Азотистое основание

Рис 4. Строение нуклеотида

Азотистые основанияя входящие в состав нуклеиновых кислот это: тимин (Т), аденин (А), (урацил (У), гуанин (Г), цитозин (Ц), такие же названия имеют и нуклеотиды. Порядок расположения нуклеотидов в молекулах ДНК и РНК определяет порядок расположения аминокислот и их воспроизведение в первичных структурах белков. Таким обра­зом, через молекулы ДНК и РНК передается информация о на­следственных свойствах биологических структур и реализуется механизм наследственности. В рибонуклеиновой кислоте (РНК) сахаром явля­ется углевод рибоза (С₅Н₁₀О₅)) а в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК) — углевод дезоксирибоза (С₅Н₁₀О₄), который отличается от рибозы только тем, что около одно­го из атомов углерода ОН-группа заменена на атом водоро­да. «Алфа­вит» каждой из нуклеиновых кислот состоит всего из четырех «букв», Три из указанных азотистых оснований — Г, А и Ц — входят в состав и РНК, и ДНК. Четвертое азотистое осно­вание в этих кислотах разное — Т входит только в ДНК, а У — только в РНК. РНК содержит 4 — 6 тыс. нуклеотидов, ДНК — 10 — 25 тыс. Если бы можно было вытянуть ДНК одной человече­ской клетки в непрерывную нить, то ее длина составила бы 91 см.

Молекулы РНК бывают трех видов: матричная или информационная (мРНК), транспортная (тРНК) и рибосомная (рРНК). Информационная РНК явля­ется копией (транскриптом) с участка (гена)соответствующей ДНК-матрицы, служит в свою очередь матрицей для синтеза белка с участием рибосом. Каждые три нуклеотида мРНК (кодон) кодируют одну аминокислоту. Из рибосомной РНК сделаны молекулярные «машинки» для трансляции (синтеза белка) – рибосомы. Молекулы транспортной РНК в процессе синтеза белка подносят нужные аминокислоты к рибосомам в ходе трансляции.

Молекула ДНК похожа на веревочную лестницу: звенья из которых она состоит и которые на­зываются нуклеотиды, соединяются между собой вдоль и поперек веревочной лестницы, где роль «веревок» играют сахаро-фосфатные остовы, «перекладин» — азотистые основания, распо­ложенные перпендикулярно оси спи­рали. (((рис. 5, 6) Каждая перекладина образована двумя основаниями, присоединенными к двум противоположным цепям, причем если у одного основа­ния одно кольцо, то у другого — два. Таким образом, образуются комплементарные пары: А-Т и Г-Ц связанные водородными связями. При этом аденин всегда распознает только тимин и связывается с ним двумя водородными связями, и наоборот. Гуанин и цитозин связаны тремя водородными связями.

Рис. 5. Ковалентные связи между сахаром и фосфатной группой в одинарной цепочке и водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями

Комплементарность – дополнение. Азотистые основания комплементарны попарно (дополняют друг друга до целого как две половинки одного разбитого стекла)

ДНК РНК

А - Т А – У

Ц - Г Ц - Г

Это значит, что последова­тельность оснований одной цепи однозначно определяет

последовательность оснований в другой, комплементарной цепи молекулы ДНК.

Количество нуклеотидных пар, например, в генотипе человека составляет 3 млрд.

Рис. 6. Принцип комплементарности

Рождение молекулярной генетики произошло, когда американцы Дж. Бидл и Э. Тэйтум устано­вили прямую связь между состоянием генов (ДНК) и синтезом ферментов (белков). Именно тогда появилось знаменитое выска­зывание «Один ген — один белок». Позже было выяснено, что ос­новной функцией генов является кодирование синтеза белка. По­сле этого ученые сконцентрировали свое внимание на вопросе, как записана генетическая программа и как она реализуется в клетке. Для этого нужно было выяснить, как всего четыре основа­ния могут кодировать порядок расположения в молекулах белка целых двадцать аминокислот. Основной вклад в решение этой проблемы внес знаменитый физик-теоретик Г. Гамов в середине 50-х годов XX в. По его предположению, для кодирования одной аминокисло­ты используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Эта элемен­тарная единица наследственности, кодирующая одну аминокисло­ту в белке, получила название триплета или кодона. Сразу возникает вопрос: сколько различных троек можно получить из четырех «букв»? Легко сообразить, что та­ких троек может быть 4³ = 64. Но в образовании белков может участвовать всего 20 аминокислотных остатков, значит, некоторые из них можно кодировать разными тройками, что и наблюдается в природе. Например, лей­цин, серии, аргинин кодируются шестью тройками, пролин, валин и глицин — четырьмя и т. д. Это свойство триплетного генетического кода называется избыточностью генетического кода. Генетический код всего живого, будь то растение, животное или бактерия, одинаков(универсальность кодирования). В 1961 г. гипотеза Гамова была под­тверждена исследованиями Ф. Крика. Так был расшифрован молекулярный механизм считывания генетической информации с молекулы ДНК при синтезе белков (рис. 7).

.

  Рис. 7. Генетический триплетный код. Триплеты нуклеотидов, ответственные за каждую из 20 аминокислот. Такая особенность генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков живых организмов свидетельствует о биохимическом единстве жизни, говорит о происхо­ждении всех живых существ на Земле от единого предка.   Ген (от греч. genos — род, происхождение) — единица наследствен­ного материала, ответственная за формирование како­го-либо признака. Он занимает участок молекулы ДНК или РНК (у некоторых вирусов), определяющий структуру одной молекулы белка. Со­вокупность генов, содержащихся в одинарном (гаплоидном) наборе хромосом данного организма, называется - геномом, а генети­ческая конституция организма (совокупность всех его генов) — генотипом. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК, а следовательно, в генотипе приводит к наследственным изменениям в организ­ме - мутациям (рис.8.)  

Рис 9. Репликация ДНК    

Рис. 8. Мутации, возникающие при удвоении ДНК

Для молекул ДНК характерно важное свойство удвоения, которое происходит перед делением клетки — образование двух одинаковых двойных спиралей, каждая из которых идентична исходной молекуле. Такой процесс удвоения молекулы ДНК на­зывается репликацией. Репликация включает разрыв старых и формирование новых водородных связей, «сшивающих» комплементарные нуклеотиды. В начале репликации две старые цепи при участии фермента начинают раскручиваться и отделять­ся друг от друга (рис. 9).

Рис.10. Транскрипция и трансляция в клетке

Транскрипция — это копирование информации о структуре белка, выраженной в последовательности триплетов нуклеотидов с ДНК матрицы (участка ее цепи - гена) на информационную РНК при ее синтезе с участием фермента РНК-полимеразы (рис.10).

Трансляция - перевод информации, выраженной в последовательности нуклеотидов в мРНК в последовательность аминокислот в белковой молекуле в процессе ее синтеза. Синтез белка происходит в цитоплазме клетки на основе генетического кода м-РНК по принципу комплементарности с участием органелл — рибосом, куда транспортные РНК (20 видов) доставляют нужные аминокислоты. Рибосомы синтезируют белок в соответствии с «инструкциями», записанными в молекуле информационной РНК. Сбор­ка одной молекулы белка, состоящей из 200 — 300 аминокислот, происходит при участии ферментов за 1 —2 мин. и требует сравни­тельно больших затрат энергии (рис.10,11).

Рис 11. Трансляция

.

Дата добавления: 2015-06-04