Физико-химические свойства ДНК

Министерство образования Республики Беларусь

 

Учреждение образования

«Гомельский государственный университет

имени Франциска Скорины»

 

Биологический факультет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Физико-химические свойства ДНК

 

 

Реферат

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

студентка группы Би-32                                            В.О. Керножицкая

 

Проверил:                                                        А.А. Сурков

 

 

 

      

 

 

 

 

 

 

Гомель 2015

 

Содержание   Введение………………………………………………………………........... .....3 1 Обзор литературы…...…………………………………………………….. ….4 Заключение…..…….………………………………………………............... .....8 Список использованных источников.…………………................................ .....9

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.

В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов.

Расшифровка структуры ДНК (1953 г.) стала одним из поворотных моментов в истории биологии. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обзор литературы

С химической точки зрения ДНК – это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков – нуклеотидов. Цепь ДНК может быть шириной от 2,2 до 2,6 нм и один нуклеотид может быть 0,33 нм в длину. Хотя каждое отдельное повторяющееся звено очень мало, полимеры ДНК могут быть огромными молекулами, содержащими миллионы нуклеотидов. Например, самая большая хромосома человека содержит примерно 220 млн пар оснований. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы (фосфодиэфирные связи). В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула спирализована. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали».

В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин – только с цитозином.

Молекулярная структура  ДНК и  типы  химической связи  в молекуле. Первичная – последовательность нуклеотидов в каждой из двух нитей молекулы. Соединены ковалентной ХС – фосфодиэфирные мостики между остатком фосфорной кислоты и дезоксирибозой.

Вторичная – две спирально закрученные полинуклеотидные цепочки, соединённые друг с другом за счёт водородной ХС по принцыпу комплементарности между азотистыми основаниями: * Т = А; * Г ≡ Ц . Азотистые основания занимают центральное положение в спирали, уложены  стопками,  обладают  гидрофобными  свойствами. На повехности — пентоза и фосфатные группы.  Молекулы воды не проникают внутрь спирали, не могут ослабить водородные ХС и дестабилизировать вторичную структуру ДНК. Всё это повышает устойчивость молекулы ДНК.

Третичная структура молеккул ядерной ДНК — формируется при взаимодействии её с белками-гистонами, аминокислотными остатками, катионами 2-х валентных металлов, фосфатными группами, в результате образуется хроматин. Молекула ДНК уменьшается в длине и в объёме. Существенно возрастает устойчивость ДНК.

Первичная структура внеядерной ДНК аналогична ядерной. Вторичная (пространственная) структура имеет кольцевую форму. В структуре этого вида отсутствуют белки и не формируется хроматин.

Химические свойства ДНК предполагают, что ДНК обычно не существует в виде отдельной молекулы, но существует в качестве плотно связанной пары молекул. Эти две длинные нити обвиваются вокруг друг друга, как лозы, в форме двойной спирали. Нуклеотидные повторы содержат сегмент главной цепи молекулы, который содержит цепочку вместе, и основание, которое взаимодействует с другой цепью ДНК в спирали.

В двойной спирали направление нуклеотидов в одной цепи противоположно направлению их в другой нити. Такое расположение нитей ДНК называют антипараллельным. Асимметричные концы нитей ДНК называют 5 ‘(пять простое) и 3′ (три простое) концы.

Нативные молекулы ДНК обладают очень высокой молярной массой – до сотен миллионов. Лишь в митохондриях, а также некоторых вирусах и бактериях молярная масса ДНК значительно меньше; в этих случаях молекулы ДНК имеют кольцевую или, реже, линейную структуру.

Известно, что ДНК в концентрированных растворах НСl, а также практически не растворима в органических растворителях. Также она не расщепляется при щелочных значениях рН, но может фрагментироваться при механических воздействиях, например при перемешивании. ДНК представляют собой многоосновные сильные кислоты, щелочные соли которых образуют в воде очень вязкие прозрачные коллоидные растворы, застывающие при концентрации выше 0,25%. Растворы ДНК характеризуются аномальной (структурной) вязкостью, объясняющейся удлиненной формой молекул, и в потоке обладают двойным, лучепреломлением.

Водородные связи и межплоскостные взаимодействия, стабилизирующие двойную спираль, достаточно слабы, и при относительно небольших воздействиях происходит разделение цепей - процесс, именуемый денатурацией, или плавлением. Двухцепочечная спиральная ДНК в растворе легко разрушается при нагревании до температур, близких к 100°С. Денатурация происходит также при увеличении рН раствора до уровня, при котором разрушаются водородные связи между основаниями. Многие факторы влияют на денатурацию, нейтрализуя частично или полностью отрицательно заряженные фосфатные группы остова молекулы. Интервал значений температуры или рН, при которых происходит разделение цепей, очень невелик. Поскольку для разрушения двух водородных связей АТ-пар требуется меньше энергии, чем для разрыва трех водородных связей GС-пар, значения температуры и рН, при которых происходит денатурация, зависят от нуклеотидного состава ДНК. Чем выше содержание GС-пар, тем выше Тт или рНт.

Денатурация – процесс обратимый, последующее восстановление двухцепочечной структуры ДНК может происходить даже при полном расхождении цепей. Процесс воссоединения, называемый ренатурацией, реассоциацией или отжигом, происходит при понижении температуры или рН. Если температура или рН понижаются постепенно, то цепи соединяются правильно, с восстановлением всех исходных пар оснований. При резком понижении температуры или рН правильное воссоединение комплементарных цепей затрудняется из-за спаривания оснований локально комплементарных участков в пределах одной или разных цепей. Диссоциация и реассоциация ДНК в растворе являются по сути искусственным воссозданием процессов, играющих ключевую роль в реализации разнообразных биологических функций in vivo. Очень важным для дальнейшего изложения представляется то, что способность двух отдельных комплементарных цепей нуклеиновой кислоты воссоединяться с образованием исходной структуры является ключевым моментом для проведения соответствующих опытов in vitro, а также для выделения, сравнения и идентификации специфических нуклеиновых кислот. Уникальная способность нуклеиновой кислоты образовывать двойные спирали путем ассоциации одиночных комплементарных цепей имеет огромное значение для самых разных областей генетики. 

ДНК подвергается  гидролизу:

   1 Кислотному – осуществляется  ступенчато  по  схеме и может  быть  остановлен  на  любой  стадии:

  Нуклеопротеид → Нуклеиновая  кислота + белок → нуклеотиды  → нуклеозиды + Н3РО4 → пурины (аденин, гуанин) + пиримидины (цитозин,  тимин) + пентоза (дезоксирибоза):

      * в слабокислых  условиях  происходит  гидролиз,  в  результате образуются мономерные, димерные или тримерные звенья, из которых была  собрана  цепь  ДНК;

     * кислотный  гидролиз в жёстких условиях (70% хлорная кислота и 100ºС) - происходит  разрыв всех N-гликозидных связей и образование смеси пуриновых и пиримидиновых оснований, дезоксирибозы, фосфорной кислоты. 

2 ферментативному – фрагментируется  ферментом  дезоксирибонуклеазой (выделяют из поджелудочной  железы телят), продукты – нуклеотиды.

Плавучая плотность ДНК находится в пределах 1,69-1,73. Она зависит от физического состояния и химического состава ДНК. Нативная ДНК имеет меньшую плавучую плотность, чем денатурированная, и это свойство используют для разделения одно- и двухцепочечных молекул.

Интенсивность поглощения света пуриновыми и пиримидиновыми основаниями в расчете на одно основание зависит от того, присутствует ли оно в свободном состоянии или входит в состав полинуклеотидов. При образовании двухспиральной структуры ДНК поглощение света каждым основанием уменьшается (явление гипохромизма). Разрушение двухцепочечной структуры при денатурации уменьшает «экранированность» оснований, интенсивность поглощения УФ-света возрастает.

При нагревании ДНК ведет себя подобно кристаллам: двухцепочечная молекула «расплетается» на составляющие ее цепи в пределах небольшого температурного интервала. S-образные профили плавления показывают, что денатурация ДНК – кооперативный процесс, т.е. каждое предшествующее изменение повышает вероятность последующего. Например, в результате внешнего воздействия разрывается несколько водородных связей между азотистыми основаниями, это приводит к нарушению стэкинг-взаимодействий, что облегчает разрыв следующих водородных связей, и т.д.; этот процесс можно сравнить с расстегиванием молнии.  Температуры плавления и профили плавления разных ДНК отличаются. Резкое подкисление или подщелачивание разрушает двухспиральную структуру ДНК, так как изменяется ионизация амино- и кетогрупп азотистых оснований, вследствие чего разрываются водородные связи. Растворы нативной ДНК оптически активны, обладают сильным правым вращением поляризованного света, которое уменьшается при денатурации. 

Денатурация и ренатурация ДНК непрерывно протекают в клетке в процессе репликации ДНК, в процесс транскрипции. Проведение их в лаборатории позволяет изучать многие свойства молекул ДНК.

В ДНК разных организмов имеется некоторое количество так называемых, минорных оснований, например 5-метил-цитозина, частично заменяющего цитозин. У высших животных и человека содержание этого основания достигает 1,5%, у высших растений 5-7% , у бактерий — не более 0,6% . В ДНК бактерий встречается также 6-метиладенин и иногда другие метилированные азотистые основания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

ДНК является носителем генетической информации, записанной в виде последовательности нуклеотидов с помощью генетического кода. С молекулами ДНК связаны два основополагающих свойства живых организмов – наследственность и изменчивость. В ходе процесса, называемого репликацией ДНК, образуются две копии исходной цепочки, наследуемые дочерними клетками при делении, отсюда следует, что образовавшиеся клетки оказываются генетически идентичны исходной.

Химические свойства ДНК предполагают, что ДНК обычно не существует в виде отдельной молекулы, но существует в качестве плотно связанной пары молекул. Эти две длинные нити обвиваются вокруг друг друга, как лозы, в форме двойной спирали. Нуклеотидные повторы содержат сегмент главной цепи молекулы, который содержит цепочку вместе, и основание, которое взаимодействует с другой цепью ДНК в спирали.

 

 

Список использованных источников

 

1 Альбертс Б., Брей Д. Молекулярная биология клетки в 3-х томах. – М.: Мир, 1994. – 1558 с.

2 Льюин, Б. Гены. – М.: Мир, 1987. – 1064 с.

3 Спирин, А.С. Структура и биосинтез нуклеиновых кислот. – М.: «Высшая школа», 1990. – 352 с.