Дезоксирибонуклеїнові кислоти (ДНК). Рибонуклеїнові кислоти (РНК)

Зміст:

Вступ

1. Дезоксирибонуклеїнові кислоти (ДНК)
2. Рибонуклеїнові кислоти (РНК)
3. Фізико-хімічні властивості нуклеїнових кислот
4. Біологічна роль ДНК і РНК
5. Правило Чаргаффа

Використана література

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ

У 1868 р. швейцарський хімік Ф. Мішер уперше з ядер лейкоцитів людини виділив сполуки нового типу до того часу невідомі і дав їм назву нуклеїни (від лат. nucleus –ядро). Потім нуклеїни були одержані з ядерного матеріалу багатьох організмів. Пізніше Ф .Мішер встановив, що нуклеїн є складною сполукою, яка включає кислий компонент із вмістом близько 10% фосфору (він був названий нуклеїновою кислотою) та білковий компонент. Так були відкриті нуклеїнові кислоти та нова група складних білків – нуклеопротеїни.

До середини 80- х років XIX ст. нуклеїни були знайдені у складі хромосом, у зв'язку з чим сформувалося першеуявлення про їх важливу роль у передачі спадкових властивостей. Але ці уявлення не одержали подальшого розвитку, оскільки передачу генетичних властивостей зв'язували з молекулою білка.   І тільки в 50- х роках XX ст.

були одержані експериментальні докази дуже важливої ролі нуклеїнових кислот ( ДНК) у явищах спадковості ( О. Евері, К. Мак-Леоду, М. Мак-Карті, Ф. Гриффітс, А. Херші, М. Чейз  та ін.). Так було доведено, що нуклеїнові кислоти містяться в усіх клітинах організмів і є матеріальними носіями генетичної інформації, тобто забезпечують збереження, передачу і відтворення спадкової інформації. За участю нуклеїнових кислот відбувається біосинтез білків, які є матеріальною основою всіх процесів життєдіяльності.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дезоксирибонуклеїнові кислоти ( ДНК): склад хромосом і генів

        Структура нуклеїнових кислот краще вивчена в найпростіших живих організмів – прокаріотів ( бактерії, рікетсії, мікоплазми, синьо-зелені водорості). У клітинах прокаріотів міститься одна хромосома, яка складається з однієї молекули ДНК, не відокремленої від цитоплазми мембраною ( немає оформленого ядра). У клітинах еукаріотів ( тварини, рослини, гриби, більша частина різновидів водоростей) знаходиться ядро, оточене мембраною. Ядерний матеріал розподіляється між кількома хромосомами, основу яких складають ДНК, білки ( головним чином – гістони) і невелика кількість РНК.

        ДНК, як і білки, мають первинну, вторинну і третинну структури.

       Первинна структура ДНК – кількість, якість і порядок розташування залишків дезоксирибонуклеотидів у полінуклеотидному ланцюзі. Великих успіхів у вивченні структури ДНК досягли Е. Чаргафф і співробітники його лабораторії ( Англія), які використовуючи метод хроматографії, вперше в 1950 р. визначили нуклеотидний склад ДНК, виділеної з різних організмів. Вони встановили, що співвідношення азотистих основ у ДНК підпорядковується універсальним закономірностям, які одержали назву правил Чаргаффа:

1. Сума пуринових ( Пур ) нуклеотидів дорівнює сумі піримідинових ( Пір) нуклеотидів ( Σ Пур =  Σ Пір, або Пур / Пір = 1).

2. Молярний вміст гуаніну дорівнює молярному вмісту цитозину( Г = Ц, або   Г/ Ц = 1).

3. Молярний вміст аденіну  дорівнює молярному вмісту тиміну( А  = Т , або А / Т  = 1).

4. Кількість аденіну і цитозину дорівнює кількості гуаніну і тиміну.

5.У ДНК, виділених з різнихджерел ( співвідношення нуклеотидів неоднакове): в одних організмів переважає вміст аденінунад гуаніном, тиміну над цитозином, а в інших – навпаки. У зв'язку зцим Е. Чаргафф запропонував положення про видову специфічність ДНК залежно від нуклеотидного складу. Це положення було всебічно досліджене в лабораторії російського вченого А . М . Білозерського. Його школою було створене унікальне, найповніше у світовій науковій літературі зведення нуклеотидного складу ДНК майже для всіх таксономічних груп організмів.

Вторинна структура ДНК – це просторова організація полінуклеотидних ланцюгів в її молекулі. З'ясування вторинної структури ДНК – одне з найважливіших досягнень у біології, оскільки при цьому одночасно було відкрито механізм передачі спадкової інформації в ряді поколінь. У 1953 р. Дж. Уотсон і Ф. Крік, узагальнюючи роботи багатьох учених ( М. Уілкінс, Ф. Фраклін, Е. Чаргафф, А. Тодд, Р. Гослінг, Л. Полінг та ін.), описали вторинну структуру ДНК, зобразивши її у вигляді подвійної спіралі ( рис .21).

       Згідно з моделлю Дж. Уотсона та Ф. Кріка, молекула ДНК складається із двох полінуклеотидних ланцюгів, правозакручених навколо спільної осі з утворенням подвійної спіралі, що має діаметр 1,8–2,0 нм з періодом ідентичності ( кроком) 3,4 нм та відстанню між площинами основ 0,34 нм. Ці два полінуклеотидних ланцюги обвивають один одного, утворюючи праву спіраль, де вуглеводнофосфатні групи розташовуються ззовні, а нуклеотидні основи – всередині. На кожен виток спіралі припадає 10 пар основ. Азотисті основи двох ланцюгів вибірково  з'єднуються між собою водневими зв'язками, утворюючи специфічні пари: А -Т, Г -Ц. Аденін та тимін з'єднуються двома водневими зв'язками, а гуанін та цитозин – трьома:

       Такі азотисті основи називаються комплементарними. Специфічне спарювання азотистих основ зумовлює комплементарність, тобто доповнюваність і взаємозалежність ланцюгів ДНК один від одного. Так, якщо в одному ланцюзі ДНК знаходиться послідовність АТГЦ, то в другому ланцюзі йому відповідає послідовність ТАЦГ. Таким чином, послідовність нуклеотидів в одному полінуклеотидному ланцюзі автоматично визначає послідовність нуклеотидів в другому, комплементарному ланцюзі. Водневі зв 'язки між комплементарними основами називають «поперечними» взаємодіями на відміну від «вертикальної» взаємодії між площинами цих пар основ , розташованих одна над одною , ніби складених у стоси , звідси ще одна назва – стекінг-взаємодії ( від англ. stacking – складання в стоси ). Міжплощинні вертикальні взаємодії визначаються вандерваальсовими силами.

        Ланцюги ДНК спрямовані протилежно одне одному: в одномуланцюзі напрямок 5 ′ → 3 ′ , в другому – 3 ′ → 5 ′ .

        Необхідно зауважити, що конфігурація подвійної спіралі ДНК сильно змінюється в залежності від кількісного вмісту води та іонної сили навколишнього середовища. Методами рентгено структурного аналізу доведено існування не менше чотирьох форм ДНК, які одержали назву А -,  В-, С - і Т-форм. Конфігурації двох із них у найпростішій формі представлені на рис .21 ( б і в ), з якого видно, що в А - форми спостерігається деяке зміщення пар основ від осі молекули до периферії, що відбивається на розмірах (2,8 нм – довжина одного витка, в якому замість 10 міститься 11 нуклеотидів; змінюється відстань між нуклеотидами та ін.).

         На даний час відомо, що між А - і В -формами ДНК здійснюються взаємні переходи. В -форма ДНК найбільше відповідає моделі Дж. Уотсона і Ф. Кріка. Ці переходи, які відбуваються під впливом розчинників або білків , очевидно, мають певний біологічний з міст. Вважається, що в А -формі ДНК виконує роль матриці в процесі транскрипції ( синтез РНК на молекулі ДНК), а в В -формі – роль ма-триці в процесі реплікації ( синтез ДНК на молекулі ДНК) (див . Перенос генетичної інформації і біосинтез білка в клітинах ).

         Подвійна спіраль характерна для більшості молекул ДНК. Однак ДНК може мати й інші форми. Так, деякі віруси містять одноланцюгову ДНК; зустрічаються також кільцеві форми ДНК ( плазміди).

          Третинна структура ДНК. Дослідження будови ДНК показало,що лінійні двоспіральні або  кільцеві форми ДНК у просторі утворю-ють спіралізовані і суперспіралізовані форми, тобто утворюють третинні структури . У частинках вірусів , клітинах бактерій , як і в ядрах вищих організмів , ДНК щільно « упакована » і утворює складні структури. Наприклад, у хромосомі кишкової палички довжина ДНК досягає 1 мм й більше, а довжина клітини не перевищує 5 мкм . Одна з найменших молекул ДНК – вірусна, але якщо ж її розтягнути, то вона буде в багато разів довша , ніж сам вірус. Отже, суперспіралізація в першу чергу необхідна для « упакування» величезної молекули ДНК у малому об' ємі ядра або клітини .

          Третинна структура ДНК прокаріотів й еукаріотів має свої особливості, пов'язані з будовою та функціями їх клітин . Для третинної структури ДНК вірусів і бактеріофагів характерною є наявність специфічної супер- спіралізації одно- або дволанцюжкових або кільцевих форм. Третинна структура ДНК еукаріотичних клітин утворюється завдяки багаторазовій суперспіралізації молекули, однак , на відміну відпрокаріотів, вона реалізується у формі комплексів ДНК з білками .

        ДНК еукаріотів майже вся знаходиться в хромосомах ядер, лише невелика її  кількість міститься в мітохондріях, а в рослин – ще йу пластидах. Сумарний матеріал хромосом – хроматин – містить ДНК, гістонові і негістонові білки, невелику кількість РНК  та іонів металів. Близько 50% хроматину складають прості білки гістони, котрі за вмістом залишків амінокислот аргініну і лізину , поділяються на п 'ять  груп: H1, Н 2 А , Н 2 В , Н 3, Н 4. Так, гістон H1 дуже багатий на лізин, а гістон Н 4 – на аргінін. Гістони взаємодіють з ДНК головнимчином через іонні зв'язки, котрі утворюються між негативно зарядженими фосфатними групами ДНК і позитивно зарядженими лізиновими й аргініновими залишками гістонів .Усі гістони зазнають модифікацій : ацетилювання , метилювання, фосфорилювання та полі -АДФ- рибозилювання. При цьому в їх молекулах змінюється розподіл електронної щільності, що призводить до зміни їх здатностівзаємодіяти з ДНК. У цьому , очевидно, полягає один з механізмів регуляції дії генів. Негістонові білки містять велику кількість залишків кислих амінокислот ( глутамінової й аспарагінової), тобто є поліаніонами. З цими білками пов'язують специфічну регуляцію активності хроматину .

          В організації хромосом виділяють три рівні, які відображають і рівні третинної структури ДНК. Перший рівень – нуклеосомний. Диспергований хроматин виглядає в електронному мікроскопі як ланцюжок намистинок-нуклеосом . Нуклеосома містить ДНК довжиною160–240 пар нуклеотидів, одну молекулу гістону Н 1 і по дві молекули інших груп гістонів ( октет гістонів ). Гістоновий октамер утворює ядро нуклеосоми, або нуклеосомний кор , який являє собою диск діаметром 11 і товщиною 5,7 нм. На поверхню цього диска намотується ділянка ДНК довжиною 145–150 нуклеотидних пар ( див . рис .22).

         Між коровими частинками розташовані ділянки ДНК – лінкери,їхня довжина змінюється в залежності від типу клітин . Лінкерні ділянки ДНК або є вільними, або зв'язані з гістоном H1 і негістоновими білками . Близько 90% ДНК входить до складу нуклеосом , а решта ДНК – до складу лінкерних ділянок. Вважають , що нуклеосоми –це фрагменти неактивного хроматину , а лінкерні міжкорові ділянки – фрагменти активного хроматину .

          Другий рівень організації хромосом – це утворення із нуклеосомної нитки товстіших фібрил (20–25 нм). Вважають, що фібрили мають форму соленоїдів , які утворюються внаслідок скручування нуклеосомної нитки .

        Третій рівень організації хромосом вивчений недостатньо .Існує припущення, що соленоїди утворюють петлі, тобто додатково упаковуються , внаслідок чого зменшуються лінійні розміри ДНК приблизно в 200 разів. Суперспіралізовані петлі являють собою домени ДНК, які розцінюються як одиниці реплікації і транскрипції хроматину. Петлеподібна  доменна організація сприяє укладці хроматину, при цьому лінійні розміри ДНК зменшуються в 104 разів.

         Цитоплазматична ДНК. У цитоплазмі еукаріотів міститься невелика кількість ДНК ( менш ніж 1% усієї ДНК клітини ). Вона одержала назву цитоплазматичної і відрізняється від ядерної ДНК нуклеотидним складом і молекулярною масою. Генетична інформація, що міститься в ній, обумовлює цитоплазматичну спадковість. Цитоплазматичні гени знаходяться в  мітохондріях і хлоропластах.

          Бактеріальні плазміди. У цитоплазмі багатьох бактерій окрім хромосомної ДНК містяться додаткові маленькі кільцеві молекули ДНК, присутність котрих необов’язкова для життя клітини . Вони одержали назву плазмід. Плазміди здатні автономно розмножуватися, стабільно успадковуються . Деякі плазміди можуть включатися в хромосому бактерій ; вони називаються епісомами . Дрібні плазміди містять генетичну інформацію в середньому для двох білків , великі можуть кодувати приблизно 200 білків . Дрібних плазмід міститься в бактеріальній клітині декілька десятків, великих – одна-дві. Плазміди виконують як загальні , так і специфічні функції. Всім плазмідам властива, наприклад , здатність до автономної реплікації (відтворення ), а також несумісність – дві споріднені плазміди не можуть існувати в одній клітині. Біологічна роль плазмід велика:вони забезпечують бактеріям селективні переваги під час зміни умов навколишнього середовища. Завдяки здатності до переносу й автономної реплікації плазміди широко використовуються в генетичній інженерії.

Мігруючі елементи ДНК. Останнім часом накопичились дані про існування «стрибаючих генів», тобто таких ділянок ДНК, які можуть переміщуватися з одних частин генома в інші . Ці мігруючі елементи  ДНК беруть участь у регуляції дії генів та індукції хромосомних перебудов .Вони сприяють здійсненню незвичайних рекомбінаційних перебудов . Є два типи мігруючих елементів прокаріотів: ІS- елементи і транспозони. ІS- елементи, інсерційні сегменти ( від англ. insertion sequences) або вставні послідовності містять лише ті гени, що необхідні для вбудовування в ДНК. Їх розмір у більшості випадків від 800 до 1400 нуклеотидних пар . IS- елементи впливають як позитивно , так і негативно на експресію ( роботу) сусідніх генів, тобто на їх  функціонування.