Сергей Кутя - Биология

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты открыты еще в позапрошлом веке швейцарским ученым Ф. Мишером (1868 г.). Первые экспериментальные данные о значении нуклеиновых кислот в механизмах наследственности были получены группой микробиологов, возглавляемой О. Эвери в 1944 г. Ученые работали с двумя близкими видами бактерий, вызывающих воспаление легких. Один вид имел хорошо выраженную полисахаридную капсулу, другой нет. Выделив нуклеиновую кислоту, ДНК от бактерий с капсулами и обработав ею бескапсульные микроорганизмы, исследователи получили в потомстве последних как капсульные, так и бескапсульные формы. Это указывало на хранение информации о наличии капсулы именно в молекуле ДНК. В дальнейшем было представлено огромное количество фактов, подтверждающих это открытие.

Существует два класса нуклеиновых кислот:

ДНК — дезоксирибонуклеиновые кислоты. РНК – рибонуклеиновые кислоты.

ДНК локализована в ядрах, митохондриях и пластидах клеток. РНК входит в состав ядрышек, рибосом и присутствует в цитоплазме клеток. По своей химической структуре ДНК и РНК —это крупные молекулы биополимеров. Они складываются из мономеров – нуклеотидов . Каждый нуклеотид включает три компонента: полисахарид, азотистое основание, фосфат (остаток фосфорной кислоты) (рис. 15).

Рис. 15.Структура строения ДНК и РНК.

В состав нуклеотида молекулы ДНК входят углевод – дезоксирибоза(пентоза), остаток фосфорной кислоты и одно из четырех имеющихся азотистыхоснований. Азотистые основания пуриновые – аденин (А), гуанин (Г)и пиримидиновые – цитозин (Ц), тимин (Т).

По правилу Чаргаффа общее количествопуриновых оснований в молекуле ДНК равно количеству пиримидиновыхоснований: пуриновые А + Г = Ц + Тпиримидиновые

В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик , используя кристаллографический анализ, построили модель пространственной структуры молекулы ДНК , за что были удостоены Нобелевской премии. Основные положения этой модели следующие:

1. ДНК образована двумя полинуклеотидными цепями, при этом соединение нуклеотидов в цепь обеспечивается ферментом ДНК-полимеразой.

2. Цепи правозакручены спирально вокруг общей оси, один виток включает 10 пар нуклеотидов.

3. Фосфатные группировки находятся снаружи спирали, а азотистые основания внутри.

4. Цепи антипараллельны, то есть последовательность атомов одной цепи противоположна таковой в другой.

5. Цепи удерживаются водородными связями между азотистыми основаниями по принципу комплементарносги. Аденин соединяется двумя связями с тимином, гуанин тремя связями с цитозином (рис. 16).

Рис. 16.Строение ДНК: А – фрагмент нити ДНК. К первому углеродному атому дезоксирибозы присоединено азотистое основание: 1 – цитозин; 2 – гуанин. Б – двойная спираль ДНК: Д – дезоксирибоза; Ф – фосфат; А – аденин; Т – тимин; Г – гуанин; Ц – цитозин.

Открытие явления комплементарности – крупнейшее достижение биологии XX века. Следует заметить, что водородные связи слабые и нарушаются при изменении pH клетки или нагревании до 100°. Исходя из сказанного, различают первичную и вторичную структуру ДНК.

Первичная структура – это линейная последовательность нуклеотидов в антипараллельных цепях.

Вторичная структура – сближение азотистых оснований по принципу комплементарности, их спирализация, что придает молекуле ДНК высокую компактность. Как показал академик Белозерский, ДНК, выделенная из разных тканей одного организма, имеет одинаковый нуклеотидный состав, а соотношение пар азотистых оснований является строгим видовым признаком.

Функции ДНК

1 ) аутосинтетическая – репликация (синтез ДНК) в S-периоде интерфазы клеточного цикла;

2) гетеросинтетическая – участие в синтезе белка, хранении и передачи генетической информации.

При репликации происходит следующее:

а) разрыв водородных связей между двумя полинуклеотндными цепями и их расхождение;

б) деспирализация полинуклеотндных цепей;

в) синтез новых цепей вдоль каждой из разделившихся, но правилу комплементарности с точным сохранением их структуры.

Описанная репликация называется полуконсерватнвной , поскольку одна из цепей новой молекулы ДНК является старой, а другая вновь синтезированной. Репликация протекает при участии ферментов ДНК-полимераз (рис.17).

Рис. 17.Схема репликации ДНК.

ДНК – это единственная макромолекула клетки, которая способна устранять повреждения, возникающие в ее структуре, что может приводить к мутациям. Более того, в ней закодирована информация о механизмах самых разнообразных репарационных процессов.

РНК

Общий принцип структурной организации нуклеиновых кислот сохранен, но имеется ряд особенностей. Сахарид представлен рибозой (содержит на один атом кислорода больше. чем дезоксирибоза). Азотистое основание тимин заменено на урацил (Т-У).В молекулах РНК только одна полинуклеотидная цепь, то есть они одноцепочечные.

Выделяют три разновидности РНК

1) и-РНК , информационная;

2) т-РНК , транспортная;

3) р-РНК , рибосомальная.

Молекула и-РНК синтезируется на молекуле ДНК в ядре клетки и затем переносится в цитоплазму; т-РНК присутствует в цитоплазме и осуществляет транспорт аминокислот; р-РНК находится в рибосомах.

Функция РНК – участие в синтезе белка. Сколь бы замечательны не были белки, они лишены одного очень важного свойства. Белок в составе клетки не может точно воспроизвести сам себя на протяжении ряда клеточных делений. Точное копирование белковых молекул происходит с помощью генетического кода. Под ним понимают систему записи в молекулах ДНК генетической информации о строении белковой молекулы. Белок состоит из аминокислот, которых всего 20. Аминокислоты в белковой молекуле расположены в линейном порядке, подобно нуклеотидам молекулы ДНК. Строгая последовательность аминокислот определяет первичную структуру белковой молекулы, ее специфичность. Так, в составе белка гемоглобина 300 аминокислот. Достаточно изменить лишь одну аминокислоту в общей цепи, чтобы свойства гемоглобина нарушились. Последовательность аминокислот в белке определяется последовательностью нуклеотидов в молекуле ДНК, его генетическим кодом.