Поделиться Поделиться

МАКРОМОЛЕКУЛИ. НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ

Загальна характеристика нуклеїнових кислот

Нуклеїнові кислоти – складні високомолекулярні біополімери, мономерами яких є нуклеотиди. Виявлені швейцарським хіміком Ф. Мішером у складі ядер лейкоцитів у 1869 році. Зустрічаються два типи нуклеїнових кислот: дезоксирибонуклеїнова (ДНК) і рибонуклеїнова (РНК). Це найбільш високомолекулярні речовини у клітині, їх маса – від 10 000 до декількох мільйонів (наприклад, ДНК бактерій 2 × 109). Молекулярна маса ДНК у декілька сот разів перевищує масу РНК.

Нуклеїнові кислоти – це полімери, які складаються з мономерних одиниць – нуклеотидів. Нуклеотиди сполучаються поміж собою в полінуклеотидні ланцюги за допомогою міцних ковалентних фосфодиефірних зв'язків. Фізичні властивості нуклеїнових кислот, як у типових полімерів: здебільшого розчинні у воді та розчинах солей, здатні до утворення гелів, в'язких розчинів, повільної дифузії тощо. Властивості нуклеїнових кислот визначаються співвідношенням і послідовністю розташування нуклеотидів та просторовою структурою макромолекул. Утворюються НК шляхом полімеризації з нуклеотидів, а розщеплюються з утворенням нуклеотидів завдяки реакціям гідролізу.

Для нуклеїнових кислот характерні реакції матричного синтезу, які забезпечують їх утворення та функціонування. Вони здатні взаємодіяти з іншими біополімерами й утворювати інтерполімерні комплекси з білками, які називаються нуклеопротеїдами. Молекули НК можуть мати первинну, вторинну і третинну структуру, що обумовлює такі властивості, як денатурація і ренатурація. Природні нуклеїнові кислоти – ДНК і РНК – виконують у всіх живих організмах роль збереження, передачі і реалізації генетичної інформації.

Особливості будови, структура, властивості та значення ДНК

Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) – один із двох типів природних нуклеїнових кислот, мономерами яких є дезоксирибонуклеотиди.

Місце розташування. У клітинах еукаріотів ДНК знаходиться в ядрі клітини в складі хромосом, а також в мітохондріях і пластидах.

У клітинах прокаріотів кільцева чи лінійна молекула ДНК нуклеоїда знаходиться в цитоплазмі і прикріплена зсередини до клітинної мембрани. У прокаріот і еукаріот також зустрічаються невеликі автономні кільцеві молекули ДНК, які називаються плазмі дами. За винятком того, одно- чи дволанцюжкові молекули ДНК можуть утворювати геном ДНК-вірусів.

Будова. ДНК складається з дезоксирибонуклеотидів, в утворенні яких беруть участь азотисті основи аденін, тимін, гуанін і цитозин, моносахарид дезоксирибоза і залишки фосфорної кислоти. У побудові ДНК беруть участь 4 типи дезоксирибонуклеотидів:

Фрідріх Мішер (1844-1895)

аденілові, тимідилові, гуанілові і цитидилові Фосфодиефірні зв'язки поміж цими нуклеотидами в полінуклеотидному ланцюжку утворюються за рахунок дезоксирибози і фосфатної групи. Нуклеотиди різних ланцюгів у молекулах ДНК з'єднуються поміж собою за допомогою водневих зв'язків на основі принципу комплементарності (А = Т, Г = Ц). Аденін одного ланцюга з'єднується з тиміном іншого ланцюга двома водневими зв'язками, а гуанін з цитозином – трьома. Два полінуклеотидиних ланцюги ДНК антипаралельні. Напрями від 3'-кінця до 5'-кінця в двох ланцюжках, з яких складається молекула ДНК, протилежні. Генетична інформація записана послідовністю нуклеотидів у напрямку від 5'-кінця до 3'-кінця і даний ланцюг називається матричним. Другий ланцюг із напрямком від З'-кінця до 5-кінця не містить інформації і набуває значення у процесах реплікації та репарації.

Американський вчений Е. Чаргафф разом зі своїми колегами виявив певні закономірності кількісного вмісту нуклеотидів у молекулі ДНК, які отримали назву правил Чаргаффа. Ось деякі з них:

кількість аденінових залишків у будь-якій молекулі ДНК дорівнює числу тимінових (А – Т), а гуанінових – кількості цитозинових (Г–Ц);

• сума аденінових і гуанінових залишків дорівнює сумі тимінових і цитозинових (А+Г =Т+Ц);

відношення суми молярних концентрацій Г+Ц до суми молярних концентрацій А + Т у різних видів значно змінюється: Г+Ц/А + Т названо коефіцієнтом специфічності. Для бактерій він дорівнює 0,45 -2,8, для вищих рослин, тварин і людини – 0,45-0,94.

Структура. Дослідження Е. Чаргаффа сприяли з'ясуванню просторової структури ДНК. У 1953 році було запропоновано модель просторової структури, що стало одним з поворотних моментів в історії біології. Згідно з цією моделлю молекула ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, сполучених поміж собою водневими зв'язками з чіткою відповідністю нуклеотидів у двох ланцюгах ДНК, тобто комплементарніспю. За видатний внесок у це відкриття Ф. Кріку, Дж. Уотсону і М. Вілкінсу була присуджена Нобелівська премія з фізіології і медицини (1962). У переважній більшості випадків (за винятком вірусів з одноланцюжковими ДНК) макромолекула ДНК складається з двох ланцюжків (первинна структура), орієнтованих азотистими основами один проти одного і закручених у спіраль. У цілому структура молекули ДНК отримала назву "подвійної спіралі" (вторинна структура). У природі ця спіраль, зазвичай, правозакручена. Відстань поміж сусідніми нуклеотидами в ланцюгу становить 0,34 нм, крок спіралі дорівнює 3,4 нм і містить 10 пар основ, а діаметр спіралі – 2 нм. У стані подвійної спіралі ДНК завжди таки має велику довжину, через те вона зазнає подальшого просторового ущільнення, формуючи третинну структуру – суперспіраль. Ця структура виникає у хромосомах еукаріотичних організмів після багаторазового згортання –

Ервін Чаргафф (1905-2002)

Френсіс Крік (1916-2004)

Джеймс Уотсон (1928)

компактизації – за участю білків гістонів. Гістони – головні білки ядра, що відіграють ключову роль в упакуванні та стабілізації структури ДНК. У вірусів, прокаріот ДНК не сполучається з білками і має кільцеву структуру.

Структура

Тривіальна назва

Зв'язки

Первинна

Ланцюг

Фосфодиефірні поміж нуклеотидами одного ланцюга

Вторинна

Подвійна спіраль

Водневі зв'язки поміж нуклеотидами різний ланцюгів, гідрофобні зв'язки поміж витками спіралі

Третинна

Суперспіраль

Іонні, гідрофобні, вандерваальсові зв'язки поміж частинами макромолекули.

Властивості. Основними властивостями ДНК є:

антипаралельність ланцюгів (один ланцюг – 5'-3', а другий – 3'-5');

■ здатність до денатурації (втрата молекулою ДНК спіральної структури внаслідок розриву водневих зв'язків поміж комплементарними азотистими основами) і ренотурації (відновлення двоспіральної с/руктури завдяки встановленню водневих зв'язків поміж комплементарними азотистими основами);

стабільність – за рахунок нековалентних зв'язків поміж комплементарними основами;

■ здатність до реплікації (самовідтворення) та репарації (від англ. DNA repair – "ремонт ДНК") – сукупність процесів, за допомогою яких клітина знаходить і виправляє пошкодження молекул ДНК).

Біологічне значення. ДНК є носієм генетичної інформації, записаної у вигляді нуклеотидної послідовності за допомогою генетичного коду. З молекулами ДНК пов'язані дві основоположні властивості живих організмів – спадковість і мінливість. У ході процесу, що називається реплікацією ДНК, утворюються дві копії початкового ланцюжка, які успадковуються дочірніми клітинами при поділі. Клітини, що утворилися таким чином, будуть генетично ідентичними. Генетична інформація, потрібна для життєдіяльності клітини, зчитується при експресії генів (процес, при якому спадкова інформація генів використовується для синтезу білка чи РНК). У більшості випадків вона використовується для біосинтезу білків у процесах транскрипції (синтезу молекул РНК на матриці ДНК) і трансляції (синтезу білків на матриці РНК).

← Предыдущая страница | Следующая страница →