биохимия хазипов. Биохимия животных Электронный дидактический комплекс (эдк)
 Скачать 14.38 Mb.
|
3. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫНуклеиновые кислоты (nucleus – ядро) – важнейшие органические соединения, впервые были выделены швейцарским исследователем Ф.Мишером в 1869 году из ядер лейкоцитов путем экстрагирования щелочью и осаждения кислотой. Нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК содержатся в ядре в виде нуклеопротеидов. ДНП – дезоксинуклеопротеид – это хроматин ядра, т.е. хромосома представляет собой ДНП-дезоксирбонуклеиновую кислота, связанную с белками основного характера (гистоны). Функция ДНК – это хранение и передача наследственной информации. Указанная роль ДНК была установлена в результате работ Гриффиса (1928 г.), который определил явление бактериальной трансформации. В опытах Гриффиса было показано, что пневмококки безкапсульные (R-формы) приобретают вирулентность, если их смешивать с убитыми нагреванием вирулентными (S-формами) пневмококков. В дальнейшем исследованиями О.Эвери, М.Карти и Мак-Леод (1944 г.) было установлено, что приобретение вирулентных свойств R-формами пневмококков обусловлена ДНК из S-форм пневмококков, т.е. ДНК из убитых нагреванием клеток является носителем генетической информации. Исследованиями Чаргаффа был определен нуклеотидный состав ДНК, в опытах Херши и Чейза на бактериофагах установлено, что при заражении бактериальных клеток фагами в бактериальную клетку проходит только ДНК, а белковая оболочка фага остается вне клетки. На основании имеющихся к тому времени накопленных научных данных в 1953 году Уотсон и Крик сформулировали теорию о структуре молекулы ДНК, о том, что ДНК представляет собой полимер из нуклеотидов в виде двойной спирали и является носителем генетической информации. Дальнейшие исследования полностью подтвердили правильность этой теории. Было доказано, что нуклеиновые кислоты – это важнейший компонент всех живых организмов, всех живых клеток. С участием нуклеиновых кислот происходит образование белков, являющихся материальной основой всех жизненных процессов. Информация, определяющая особенности структуры белков «записана» в ДНК и передается в ряду поколений молекулами ДНК. Рибонуклеиновые кислоты (РНК) принимают участие в процессе реализации наследственной информации – в биосинтезе белков. Различают несколько видов РНК – информационную, рибосомальную и транспортную. Кроме того, рибонуклеиновые кислоты выполняют роль носителя генетической информации у РНК-содержащих вирусов. В последние годы установлено, что рибонуклеиновые кислоты обладают ферментативными свойствами, такие РНК называют рибозимами. Нуклеиновые кислоты представляют собой полимеры, построенные из мономеров-нуклеотидов. Следует подчеркнуть, что нуклеотиды играют важную роль в обмене веществ самостоятельно, а также в составе ферментов (коферменты), аккумуляторов энергии (АТФ, ГТФ), регуляторов обмена веществ (циклические нуклеотиды). Нуклеотиды и нуклеозиды Нуклеотиды являются компонентами нуклеиновых кислот. ДНК и РНК – это полимеры, построенные из мононуклеотидов. Нуклеотиды присутствуют во всех клетках, выполняя ряд жизненно важных функций:
Нуклеотид состоит из трех компонентов – азотистого основания, углевода, остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот, являются производными ароматических гетероциклических соединений – пурина и пиримидина. Производные пурина аденин (А) и гуанин (Г), а производные пиримидина – цитозин (Ц), урацил (У), тимин (T). В состав ДНК входят аденин, гуанин, цитозин, тимин; в РНК вместо тимина присутствует урацил (рис.3.1.).  Пурин Аденин Гуанин (6-аминопурин) (2-амино-6-оксипурин)  Рис.3.1. Азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот. Углеводным компонентом нуклеотидов являются (β-D-рибофураноза (рибоза) и β-2'-дезокси-D-рибофураноза (дезоксирибоза) (рис.3.2.). Углеродные атомы пентозы нумеруются цифрами со знаком «штрих» для того, чтобы можно было отличить их от атомов азотистого основания (например, 5-й углеродный атом обозначают С-5' или 5'). У второго углеродного атома гидроксильная группа -ОН у рибозы, в дезоксирибонуклеотидах представлена атомом водорода -H. Считают, что отсутствие атома кислорода у второго атома углерода дезоксирибозы способствует компактности укладки молекулы ДНК, делает более прочной связь между 2-м и 3-м углеродом рибозы, что в целом увеличивает стабильность молекулы ДНК и консервативность как хранителя наследственности.  β-D-рибофураноза β-2'-дезокси-D-рибофураноза (рибоза) (дезоксирибоза) Рис.3.2. Углеводные компоненты нуклеотидов. Азотистые основания существуют в таутомерных лактим- или лактамных формах. В составе нуклеиновых кислот все оксопроизводные азотистых оснований присутствуют в лактамной форме  Лактим (енол-форма) Лактам (кето-форма) Нуклеозиды образуются в результате образования N-гликозидной связи между 9-ым атомом азота у пуринов и 1-м атомом азота у пиримидинов с пентозой, рибозой или 2'-дезоксирибозой (рис.3.3.). Фосфорные эфиры нуклеозидов называются нуклеотидами:  Названия нуклеотидов и нуклеозидов представлены в таблице 3.1. Если к аденозину присоединяется остаток фосфорной кислоты в 5'-положении, то образуется 5'-адениловая кислота или аденозин-5'-монофосфат; если в 3'-положении, то 3'-адениловая кислота или аденозин-3'-монофосфат. К нуклеозидмонофосфату могут присоединяться посредством фосфоангидридной связи еще один или два остатка фосфорной кислоты. При этом образуются нуклеозиды- и нуклеозидтрифосфаты. Сокращенные обозначения моно-, ди- и трифосфатов представлены в таблице 3.1.  Рис. 3.3. Образование N-гликозидной связи между азотистым основанием и углеводным компонентом. Таблица 3.1 Нуклеозидмоно-, ди- и трифосфаты
Состав нуклеиновых кислот
Структура ДНК Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные соединения из нуклеотидов. Чем сложнее клетка, тем больше генетической информации, следовательно, больше ДНК. Например, вирусы содержат одну молекулу ДНК или РНК, сравнительно небольшого размера. Фаги (вирусы бактерий) также содержат одну молекулу ДНК из 40-200 тыс. пар нуклеотидов. Бактериальные клетки имеют более сложную структуру и больше ДНК. Так, клетка кишечной палочки (E.coli) имеет генетический материал из 4-106 пар нуклеотидов (Мм 26-109 кДа) длиной 1,4 мм, что в 700 раз больше самой клетки. Клетка человека содержит 3-109 нуклеотидов в 46 хромосомах. Общая длина молекулы ДНК составляет около 2 метров. Одна хромосома содержит 1 молекулу ДНК. Основная масса ДНК находится в клеточном ядре в хромосомах. Однако небольшая часть ДНК (около 0,1%) обнаруживается в митохондриях. Количество ДНК в пикограммах на 1 клетку составляет у человека 6,8, у курицы – 2,3, дрожжевых клеток – 0,05, E.coli – 0,01. Нуклеотидный состав ДНК изучен Чаргаффом (1949 г.) и установлено, что нуклеотидный состав из различных тканей одного вида животных одинаков, не зависит от возраста, условий питания и внешней среды. Определены правила Чаргаффа для ДНК:
Первичная структура ДНК – последовательность нуклеотидов, образуется благодаря сложноэфирной связи, возникающей между остатками фосфорной кислоты у 3' углерода дезоксирибозы одного мононуклеотида с 5'углеродом дезоксирибозы другого мононуклеотида (рис.3.4.).  ДНК РНК а) строение фрагментов молекул ДНК и РНК. Сверхспиральная Релаксированная кольцевая ДНК кольцевая ДНК  Рис. 3.4. Строение молекул ДНК и РНК (а); (б) - кольцевидная ДНК Вторичная структура – спирализация полидезоксирибо-нуклеотидной цепи, вернее двух цепей. Выяснение вторичной структуры ДНК – это одно из крупнейших открытий в биологии, так как при этом был раскрыт молекулярный механизм передачи генетической информации в ряду поколений. В 1953 году Д.Уотсон и Ф.Крик установили, что ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух антипараллельных полинуклеотидных цепей. Полинуклеотидная цепь расположена в форме спирали с одним оборотом (шагом) 10 пар нуклеотидов, что составляет 3,4 нм и расстоянием между плоскостями оснований 0,34 нм, при этом между амино- и кетогруппами азотистых оснований образуются водородные связи. Две нуклеотидные цепи образуют правую спираль, при этом углеводно-фосфатные группы располагаются снаружи, а азотистые основания – внутри, где аденин первой цепи соединяется двумя водородными связями с тимином второй цепи, а гуанин с цитозином тремя водородными связями. Связь A=T и Г=Ц называется комплементарной. Связь между указанными азотистыми основаниями является строго специфичной. Так, если в одной цепи последовательность нуклеотидов составляет АТГЦ, то во второй цепи будет комплементарно ТАЦГ. Таким образом, последовательность нуклеотидов в одной цепи автоматически определяет последовательность нуклеотидов в другой комплементарной цепи. Исследования показали, что кроме указанной выше В-формы ДНК (репликативной формы), в зависимости от влажности и ряда других условий, могут быть: А-форма молекулы при транскрипции (1 виток насчитывает 11 пар нуклеотидов, цепь короче на 25%); С-формы надмолекулярных структур (1 виток имеет 9,3 пар оснований), Z-формы (левая спираль, на 1 виток приходится 12 нуклеотидов). Известны и другие формы (бок о бок форма, кольцевидная форма, одноцепочечнаяи т.д.). Из физико-химических свойств, кроме большой длины молекулы, следует отметить денатурацию молекулы ДНК, которая происходит при повышении температуры свыше 800C. При этом происходит разрыв водородных связей между азотистыми соединениями, двухцепочечная молекула «расщепляется» на составляющие цепи. Полная денатурация ДНК - это расхождение комплементарных цепей. При охлаждении раствора денатурированной ДНК цепи до комнатной температуры (или несколько ниже 800C) происходит восстановление нативной структуры. Этот прием называется отжигом. Восстановление первоначальной структуры нуклеиновой кислоты называется ренатурацией. Образование двойной спирали ДНК по принципу комплементарности широко применяется для диагностики инфекционных болезней животных методом молекулярной гибридизации, ДНК-зондированию, полимеразной цепной реакции, для генетических исследований. Принцип комплементарности обеспечивается при синтезе новой молекулы ДНК, когда происходит удвоение молекулы - репликация ДНК, что очень важно для передачи генетических особенностей организма (рис.3.5). М  одель репликации ДНК, предложенная Уотсоном и Криком. Комплементарные цепи родительской ДНК разделяются, и каждая из них служит матрицей для биосинтеза комплементарной дочерней цепи.Рис.3.5. Модель молекулы ДНК (а), нуклеосом (б). Третичная структура ДНК и организация хроматина в клетках животных. Молекула ДНК является очень длинной, поэтому в клетке плотно «упакована» путем сверхспирализации с участием белков основного характера. ДНК клетки в основном находится в составе хромосом ядер и лишь небольшая часть ее находится в митохондриях. Суммарный материал хромосом – хроматин – содержит ДНК, гистоны, негистоновые белки и небольшое количество РНК. До 50% хроматина составляют гистоны. Гистоны богаты основными аминокислотами – аргинином и лизином, на долю которых приходится до 25% аминокислотных остатков белка. Радикалы этих аминокислот при рН 7,0 протонированы (NH3+), несут положительный заряд. Гистоны соединяются с отрицательно заряженной (за счет остатка фосфорной кислоты) двухцепочечной ДНК с образованием ДНК-гистонового комплекса. Различают пять видов гистонов: Hl - богатый лизином, Н2А, Н2В - богатые лизином и аргинином, НЗ и Н4 – богатые аргинином. Все гистоны подвергаются модификациям – метилированию, ацетилированию, фосфорилированию и поли-АДФ-рибозилированию. При этом в их молекулах изменяется распределение электронной плотности, что меняет характер их связи с ДНК. Считают, что таким образом осуществляется механизм регуляции активности генов. Упаковка молекулы ДНК начинается с образования нуклеосом. Нуклеосома – это комплекс двухцепочечной молекулы ДНК с гистонами, где около 200 пар нуклеотидов делает два оборота вокруг 8 молекул гистонов (Н2А, Н2В, НЗ и Н4 по две молекулы). Между нуклеосомами расположена соединительная (линкерная) ДНК из 20-120 пар нуклеотидов, связанная с гистоном Hl (рис.3.5.(б)). Нуклеосомы обеспечивают плотную упаковку молекулы ДНК. Они упорядоченно расположены в пространстве и образуют толстые фибриллы в виде соленоидов. Такая упаковка ДНК в хроматине обеспечивает уменьшение линейных размеров ДНК в 10000 раз. Цитоплазматическая ДНК содержится в митохондриях – 0,1% от общего количества ДНК клетки. Это двухцепочечные кольцевые молекулы, сравнительно небольшого размера (мм ≈106). В цитоплазме бактериальных клеток кроме хромосомной ДНК имеются добавочные кольцевидные молекулы ДНК, их называют плазмидами. Плазмиды способны автономно размножаться, стабильно наследуются. Мелкие плазмиды содержат генетическую информацию для 2-3 белков, а крупные могут кодировать до 200 белков. Количество их в клетке может быть различное: мелких – несколько десятков, крупных – 1-2. Плазмиды могут обуславливать вирулентность бактерии, устойчивость к отдельным антибиотикам: тетрациклину, стрептомицину и т.д. Плазмиды широко используются в генетической инженерии. Молекула ДНК является материальным носителем генетической информации. Геном – это совокупность генов данного организма. Ген (цистрон) – участок ДНК, несущий информацию для синтеза одного белка (полипептида). Различают структурные гены, они кодируют полипептиды и РНК; регуляторные гены выполняют регуляторные функции. Количество генов в одной хромосоме зависит от сложности организма: у мелких вирусов несколько десятков, вируса оспы – около 200, бактериальных клеток несколько тысяч, генома человека около 35000. Рибонуклеиновые кислоты Различают рибонуклеиновые кислоты: транспортные (т-PHK), информационные (и-РНК) и рибосомные (р-РНК). Все они синтезируются в ядре клетки. Кроме того, различают вирусные РНК у РНК-содержащих вирусов, где рибонуклеиновая кислота является носителем генетической информации (вирус ящура, полиомиелита, вирус табачной мозаики и т.д.). Молекула РНК, в отличие от ДНК, состоит, за редким исключением, из одной полинуклеотидной цепи. Полинуклеотидная цепь РНК, закручиваясь на себя, образует двухспиральные шпильки. Транспортная РНК (т-РНК) - самые мелкие молекулы РНК, построены из 75-90 нуклеотидов, Мм 23000-30000 Да. т-РНК составляет 10-20% от общего количества РНК клетки. Функция их состоит в транспортирование аминокислот в рибосомы - к месту синтеза белка и обеспечение включения аминокислот в определенные участки полипептидной цепи в соответствии с генетическим кодом. т-РНК участвуют в синтезе белка, являясь адаптерами – своеобразными переводчиками – переводят последовательность нуклеотидов в последовательность аминокислотных остатков белковой молекулы. Для каждой из 20 аминокислот имеется своя т-РНК, а для некоторых аминокислот – до 5. Например, т-РНК для лейцина имеет 5 разновидностей, т-РНК для серина тоже имеет пять различных молекул. Последовательность нуклеотидов всех т-РНК расшифрована. Молекула т-РНК представляет собой полинуклеотидную цепь в виде клеверного листа. К 3' и 2'-OH группе концевого аденозинового остатка присоединяется соответствующая аминокислота через свою карбоксильную группу, образуя аминоацил-т-РНК. В молекуле каждой т-РНК имеется специфический антикодон, состоящий из трех нуклеотидов, комплементарный кодону информационной РНК. Например, кодону в и-РНК 5'-ГЦЦ-3' соответствует антикодон 3'-ЦГГ-5'. Таким образом обеспечивается специфичность взаимодействия тРНК с иРНК (рис.11.3). Информационная РНК (и-РНК) – синтезируется в процессе транскрипции, является точной копией отдельного гена. Количество и-РНК в клетке порядка 2-6% от общего количества РНК. Размер молекулы и-РНК зависит от размера кодируемого белка. Каждой аминокислоте соответствует в и-РНК определенная тройка (триплет) нуклеотидов, называемая кодоном этой аминокислоты. Последовательность кодонов в цепи и-РНК определяет последовательность аминокислот в белке (см. стр. 224). Рибосомная РНК (рРНК) – синтезируется в ядрышке. В клетках животных различают несколько видов рРНК. В большой субчастице рибосом (60S) содержится 28S, 5S и 5,8S PHK, состоящие соответственно из 5000, 155 и 121 нуклеотидов, а в малой субчастице (40S) содержится 18S РНК, состоящий из 1900 нуклеотидов. В рибосомах содержатся также белки в большой субчастице 41, в малой - 30, всего 71. Белки рибосом основного характера связаны с молекулами РНК кооперативно – группами. |