Размещено на http://www.allbest.ru/

Волгоградская государственная Академия Физической культуры

Кафедра биоохимии

Реферат на тему:

«Нуклеиновые кислоты»

Выполнил: студент 202 группы

Абдурахманов Абдурахман Магарамович

Волгоград 2017

Нуклеиновые кислоты - фосфорсодержащие биополимеры живых организмов, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации. Открыты они в 1869 г. швейцарским химиком Ф. Мишером в ядрах лейкоцитов. Впоследствии нуклеиновые кислоты были обнаружены во всех растительных и животных клетках, бактериях, вирусах и грибах.

В природе существуют два вида нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК) Различие в названиях объясняется тем, что молекула ДНК содержит пятиуглеродный сахар дезоксирибозу, а молекула РНК - рибозу. В настоящее время известно большое число разновидностей ДНК и РНК, отличающихся друг от друга. По строению и значению в метаболизме.

ДНК локализуется преимущественно в хромосомах клеточного ядра (99 % всей ДНК клетки), а также в митохондриях и хлоропластах. РНК, кроме ядра, входит в состав рибосом, цитоплазмы, пластид и митохондрий.

Нуклеиновые кислоты - сложные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. В состав каждого нуклеотида входит пятиуглеродный сахар (рибоза или дезоксирибоза), азотистое основание и остаток фосфорной кислоты. нуклеиновый кислота наследственный молекула

Существует пять основных азотистых оснований: аденин, гуанин, урацил, тимин и цитозин. Первые два являются пуриновыми - их молекулы состоят из двух соединенных между собой колец. Следующие три являются пиримидинами и имеют одно шестичленное кольцо.

Названия нуклеотидов происходят от названия соответствующих азотистых оснований; и те и другие обозначаются заглавными буквами: аденин - аденилат (А), гуанин - гуа-нилат (Г), цитозин - цитидилат (Ц), урацил - уридилат (У), тимин - дезокситимилилат (Т).

Количество нуклеотидов в молекуле нуклеиновых кислот бывает разным - от 80 в молекулах транспортных РНК до нескольких десятков миллионов у ДНК.

ДНК

Молекула ДНК - это двухцепочечная спираль, закрученная вокруг собственной оси.

В полинуклеотидной цепочке соседние нуклеотиды связаны между собой ковалентными связями, которые образуются между фосфатной группой одного нуклеотида и З'-спиртовой группой пентозы другого. Такие связи называются фосфодиэфирными. Фосфатная группа образует мостик между З'-углеродом одного пентозного цикла и 5'-углеродом следующего.

Остов цепей ДНК образован, таким образом, сахарофосфатными остатками.

Полинуклеотидная цепь ДНК закручена в виде спирали, напоминая винтовую лестницу и соединена с другой, комплементарной ей цепью с помощью водородных связей, образующихся между аденином и тимином (две связи), а также гуанином и цитозином (три связи). Нуклеотиды А и Т, Г и Ц называются комплементарными. В результате у всякого организма число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых -- числу цитидиловых. Эта закономерность получила название «правило Чаргаффа». Благодаря этому свойству последовательность нуклеотидов в одной цепи определяет их последовательность в другой. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов называется комплементарностъю, и это свойство лежит в основе образования новых молекул ДНК на базе исходной молекулы.

Цепи в молекуле ДНК противоположно направлены, т. е., если одна цепь имеет направление от З'-конца к 5'-концу, то в другой цепи З'-концу соответствует 5'-конец и наоборот. Это свойство биспирали ДНК называется антипараллельностью.

Впервые двухцепочечная модель молекулы ДНК была предложена в 1953 г. американским ученым Дж. Уотсоном и англичанином Ф. Криком. Он объединил данные Э. Чаргаффа о соотношении пуриновых и пиримидиновых оснований молекул ДНК и результаты рентгеноструктурного анализа, полученные М. Уилкинсом и Р. Франклин. За разработку двухспиральной модели молекулы ДНК Уотсон, Крик и Уилкинс были удостоены в 1962 г. Нобелевской премии.

ДНК - самые крупные биологические молекулы. Их длина составляет от 0,25 мм - у некоторых бактерий до 40 мм - у человека. Это значительно больше самой крупной молекулы белка, которая в развернутом виде достигает не более 100-200 нм. Масса молекулы ДНК составляет 6 • 10^-12 г.

Диаметр молекулы ДНК - 2 нм, шаг спирали - 3,4 нм; каждый виток спирали содержит 10 пар нуклеотидов. Спиральная структура поддерживается многочисленными водородными связями, возникающими между комплементарными азотистыми основаниями, и гидрофобными взаимодействиями. Молекулы ДНК эукариотических организмов линейны. У прокариот ДНК, напротив, замкнута в кольцо и не имеет ни 3'-, ни 5'-концов.

Подобно белкам при изменении условий ДНК может подвергаться денатурации, которая называется плавлением. При постепенном возврате к нормальным условиям ДНК ренатурирует.

Функции ДНК. Функцией ДНК является хранение, передача и воспроизведение в ряду поколений генетической информации. В ДНК любой клетки закодирована информация о всех белках данного организма, о том, какие белки и в какой последовательности будут синтезироваться.

РНК

Строение молекул РНК во многом сходно со строением молекул ДНК. Однако имеется и ряд существенных отличий. В молекуле РНК вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов входит рибоза. Вместо тимидилового нуклеотида (Т) входит уридиловый (У). Главное отличие от ДНК состоит в том, что молекула РНК представляет собой одну цепь. Однако ее нуклеотиды способны образовывать водородные связи между собой (например, в молекулах тРНК, рРНК), но в этом случае речь идет о внутрицепочечном соединении комплементарных нуклеотидов.

Цепочки РНК значительно короче ДНК.

Виды РНК

В клетке существует несколько видов РНК, которые различаются по величине молекул, структуре, расположению в клетке и функциям.

Информационная (матричная) РНК - мРНК - наиболее разнородная по размерам и структуре. мРНК представляет собой незамкнутую полинуклеотидную цепь. Она синтезируется в ядре при участии фермента РНК-полимеразы по принципу комплементарности участку ДНК, отвечающего за кодирование данного белка. мРНК выполняет важнейшую функцию в клетке. Она служит в качестве матриц для синтеза белков, передавая информацию об их структуре с молекул ДНК. Каждый белок клетки кодируется специфичной ему мРНК.

Рибосомная РНК - рРНК. Это одноцепочечные нуклеиновые кислоты, которые в комплексе с белками образуют рибосомы - органеллы, на которых происходит синтез белка. Информация о структуре рРНК закодирована в участках ДНК, расположенных в области вторичной перетяжки хромосом. На долю рРНК приходится 80 % всей РНК клетки, поскольку клетки содержат большое количество рибосом. рРНК обладают сложной вторичной и третичной структурой, образуя петли на комплементарных участках, что приводит к самоорганизации этих молекул в сложное по форме тело. В состав рибосом входят 3 типа рРНК - у прокариот и 4 типа рРНК - у эукариот.

Транспортная (трансферная) РНК - тРНК. Молекула тРНК состоит в среднем из 80 нуклеотидов. Содержание тРНК в клетке - около 15 % всей РНК. Функция тРНК - перенос аминокислот к месту синтеза белка и участие в процессе трансляции. Число различных типов тРНК в клетке невелико (около 40). Все они имеют сходную пространственную организацию. Благодаря внутрицепочечным водородным связям молекула тРНК приобретает характерную вторичную структуру, называемую клеверным листом.

Трехмерная же модель тРНК выглядит несколько иначе. В тРНК выделяют четыре петли: акцепторную (служит местом присоединения аминокислоты), антикодоновую (узнает кодон в мРНК в процессе трансляции), две боковые.

Нуклеиновые кислоты - высокомолекулярные соединения со строго определённой линейной последовательностью мономеров. Структура ДНК и РНК - способ «записи информации», обеспечивающий формирование в организме двух информационных потоков. Один из потоков осуществляет воспроизведение информации, заключённой в молекулах ДНК. Удвоение молекул ДНК называют «репликация». В результате этого процесса и последующего деления дочерние клетки наследуют геном родительской клетки, в котором содержится полный набор генов, или «инструкций» о строении РНК и всех белков организма.

Второй поток информации реализуется в процессе жизнедеятельности клетки. В этом случае происходит «считывание», или транскрипция, генов в форме полинуклеотидных последовательностей мРНК и использование их в качестве матриц для синтеза соответствующих белков. В последнем случае осуществляется «перевод» (трансляция) информации, заключённой в мРНК, на «язык» аминокислот. Этот поток информации от ДНК через РНК на белок получил название «центральная догма биологии». Он характерен для всех живых организмов, за исключением некоторых РНК-содержащих вирусов.

Исправление ошибок, возникающих в структуре ДНК под воздействием факторов внешней и внутренней среды, осуществляет ещё один матричный синтез - репарация. Он является вариантом ограниченной репликации и восстанавливает первоначальную структуру ДНК, используя в качестве матрицы участок неповреждённой нити ДНК. При размножении РНК-содержащих вирусов в клетках эукариотических организмов новые молекулы ДНК могут синтезироваться с помощью процесса, в ходе которого РНК служит матрицей для синтеза комплементарной ДНК, которая может включаться в геном высших организмов (обратная транскрипция).

Молекулы дезоксирибонуклеиновых кислот представляют собой длинные цепочки, содержащие сотни нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из пуринового или пиримидинового основания, молекулы 2-дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Пуриновыми основаниями являются аденин или гуанин, пиримидиновыми - цитозин или тимин.

Рис.1

Полинуклеотид имеет сахаро-фосфатный остов, а пуриновые и пиримидиновые основания присоединены к остатку сахара по положению 1 (атом углерода альдегидной группы). Так как дезоксирибоза не имеет гидроксильной группы в положении 2, фосфорная кислота связывает углерод С-3 одного сахарного остатка с углеродом С-5 следующего сахарного остатка.

Пуриновые основания А - аденин, Г - гуанин.

Пиримидиновые основания Т - тимин, Ц - цитозин.

ДНК существует в ядрах клеток в виде спаренных нитей, закрученных в двойную спираль (рис. 2). Каждое пуриновое или пиримидиновое основание направлено внутрь спирали по направлению к ее оси и связано водородной связью с другим пуриновым или пиримидиновым основанием, находящимся на другой нити. Пуриновые основания всегда образуют водородную связь с пиримидиновыми основаниями, и наоборот. При этом вследствие донорно-акцепторной природы групп, образующих водородную связь, аденин всегда образует водородную связь с тимином, а гуанин - с цитозином. Следовательно, число остатков аденина всегда равно числу остатков тимина, а число гуаниновых остатков всегда равно числу цитозиновых остатков.

Рис. 2. Структура ДНК^*. а - двойная спираль; б - спаривание оснований между нитями

Рис.3

Основания в ДНК связываются посредством водородных связей. Водородные связи пары аденин-цитозин не столь стабильны, как связи пары аденин-тимин. Для того чтобы аденин и цитозин могли образовать водородные связи, необходимо, чтобы аминогруппа аденина, находящаяся в положении 6, претерпела таутомерный переход^* в иминогруппу, как это показано ниже на диаграмме. Но эта конформация аденина опять не является стабильной.

^* (Таутомеризадия - это процесс изомеризации, при котором протон перемещается от атома 1 к атому 3. В случае аденина в этот процесс включены следующие структуры:

Рис.4

Следовательно, образование пары А-Т будет предпочтительнее образования пары А-Ц. Аналогичный подход можно использовать, чтобы показать, почему пара гуанин-цитозин предпочтительнее пары гуанин-тимин.

Строгое требование спаривания оснований важно потому, что оно обеспечивает механизм точного удвоения пары нитей. ДНК удваивается перед делением клетки, чтобы снабдить каждую из дочерних клеток полным набором молекул ДНК. Это происходит путем разрыва водородных связей между цепями и затем образования новых водородных связей с новыми нуклеотидными партнерами: аденина с тимином и гуанина с цитозином (рис. 5). Затем новые нуклеотиды образуют между собой сахаро-фосфатные связи, создавая новую цепь. Результатом является точное воспроизведение исходных спаренных цепей. Это и есть молекулярная основа наследственности. Любая ошибка в процессе удвоения вызывает мутацию.

Рис.5. Удвоение двухцепочечной молекулы ДНК

Процесс репликации ДНК более понятен, чем процесс синтеза молекулы мРНК. Основной тайной в синтезе мРНК является тот факт, что на каждой двухцепочечной молекуле ДНК синтезируется только одна нить РНК. Единственная образующаяся молекула мРНК является точной копией одной из цепей ДНК, но не другой цепи. Затем мРНК выходит из ядра и прикрепляется к рибосоме^*.

^* (Рибосомы - это большие сложноорганизованные частицы в цитоплазме. Они представляют собой глобулярные структуры, богатые белком и РНК, и являются местом синтеза белка в клетке. )

Молекула РНК подобна молекуле ДНК, за исключением того, что РНК содержит рибозу вместо дезоксирибозы и основание урацил вместо тимина (урацил является деметилированным тимином). Как и тимин, урацил всегда образует пару с аденином.

Рис.6

Остов структур ДНК и РНК одинаков, т. е. остатки фосфорной кислоты связывают положение 3 одной молекулы сахара с положением 5 другой молекулы сахара. Важным последствием наличия гидроксильной группы в положении 2 в остатке рибозы РНК является то, что она делает РНК значительно более чувствительной к мягкому щелочному гидролизу, чем ДНК. Причиной этого является участие гидроксила в положении 2 в щелочном гидролитическом расщеплении РНК.

Рис.7

В результате принципа комплементарного спаривания оснований молекула РНК точно отражает последовательность оснований в молекуле ДНК. Так, мРНК содержит остатки аденина там, где ДНК содержит тимин, остатки цитозина там, где ДНК содержит гуанин, гуанин там, где ДНК содержит цитозин, и остатки урацила там, где ДНК содержит аденин. Но как это трансформируется в специфическую последовательность аминокислотных остатков молекулы белка? Это и есть самая интересная часть загадки.

Последовательность оснований в мРНК должна каким-то образом контролировать последовательность соединения аминокислот при образовании молекулы белка.

Информационная РНК содержит четыре типа оснований, а белок обычно содержит двадцать различных типов аминокислот. Поэтому отдельное основание не может контролировать положение определенной аминокислоты в белковой цепи, так как при этом четыре основания могли бы контролировать только четыре аминокислоты. Точно так же комбинации двух соседних оснований максимально могли бы контролировать шестнадцать аминокислот, так как возможны только шестнадцать различных комбинаций соседних оснований (см. ниже). (Комбинация АЦ отличается от комбинации ЦА вследствие направленности 3,5-диэфирной связи остатка фосфорной кислоты.)

Для того чтобы можно было осуществлять специфический контроль последовательности двадцати аминокислот, необходимо сочетание по крайней мере трех оснований информационной РНК, которая дает 64 возможные комбинации. Эти триплеты оснований на информационной РНК (называемые кодонами)

Рис.8

действуют как специфические места посадки для комплементарных триплетов, расположенных на молекулах тРНК^* (антикодоны). Специфичность стыковки кодона и антикодона обусловливается специфичностью образования водородных связей между аденином и урацилом и между цитозином и гуанином. Комплементарные триплеты оснований тРНК находятся в так называемой антикодоновой петле вблизи середины цепи тРНК, а части цепи, не входящие в эту петлю, складываются, образуя двойную спираль по типу ДНК. Один из концов цепи всегда немного длиннее другого, и именно этот свободный конец несет аминокислоту. Прежде чем присоединиться к специфической молекуле тРНК, аминокислота активируется путем ферментативной реакции с АТФ, образуя связь между аминокислотой и аденозинмонофосфатом (АК-АМФ). Вызывает удивление тот факт, что этот свободный конец тРНК всегда имеет одну и ту же последовательность концевых оснований (ЦЦА) независимо от того, какая аминокислота находится на конце. (Аминокислота присоединяется к концевой рибозе через эфирную связь.) Ясно, что связывающий триплет должен каким-то образом контролировать выбор аминокислоты, присоединяемой к концу молекулы, однако, как это осуществляется, остается пока загадкой.

^* (В ходе белкового синтеза в клетке тРНК оказывается связанной с мРНК, которая временно прикреплена к рибосоме (см. рис. 3.3).)

Рис.9

Другой загадкой, которая до недавнего времени оставалась неразрешенной, является проблема выбора отдельного "верного" триплета из данной последовательности оснований. Например, последовательность АЦГУ содержит два триплета - АЦГ и ЦГУ. Только один из них может быть "верным" триплетом, соответствующим определенной аминокислоте, которая должна войти в белок, запрограммированный данной мРНК. Если же начать синтез с выбора "неверного" триплета, то это приведет к непрерывной последовательности "неверных" триплетов, а следовательно, все аминокислоты будут "неверными", что будет означать "неверный" белок.

Однако таких ошибок в природе не происходит, и в конце 50-х годов Ф. Крик, Дж. Гриффит и Л. Оргел предложили остроумное объяснение этого явления. Принимая, что аминокислотный код основывается на последовательности триплетов (напоминающих трехбуквенные символы), они предположили, что код является неперекрывающимся. Это означает, что в гипотетическом регулярном полинуклеотиде УГАУГАУГА только один из трех триплетов (УГА ГАУ или АУГ) имеет какой-то "смысл". Два других являются "бессмысленными", так как не соответствуют никаким комплементарным триплетам на тРНК, и, следовательно, никакие тРНК не будут спариваться с этими триплетами.

Рассуждая далее, они считали, что если это верно, триплеты ААА, ЦЦЦ, ГГГ и УУУ не могли бы быть настоящими триплетами, потому что повторение любого из них может вызвать перекрывание, а следовательно, и неверное начало синтеза белка. Таким образом, число допустимых комбинаций трех оснований РНК уменьшается от 64 до 60. Далее они полагали, что из этих 60 комбинаций две трети должны быть бессмысленны, чтобы избежать перекрывания.

Рис.10 Такой перекрывающийся выбор триплета приводил бы к различным последовательностям аминокислот в белке

Тогда только одна треть из 60 будет "истинными" триплетами. Это число (двадцать) точно соответствует числу различных аминокислот, найденных в белках. Хотя это предположение прекрасно соответствовало тому, что было известно в то время, оно оказалось неверным. Последующая работа показала, что имеется более 20 значащих триплетов. Современные данные показывают, что выбор "верного" триплета происходит в результате преимущественного связывания тРНК на одном из концов мРНК, а не посреди ее цепи.

Как же определить, какой триплет послужит кодом для определенной аминокислоты? Наиболее прямым способом является приготовление синтетических полинуклеотидов с известной последовательностью оснований, использование этих молекул в качестве мРНК в белковом синтезе и затем определение последовательности аминокислот в белке.

Например, полинуклеотид, содержащий только один тип оснований, может быть получен из нуклеотидов (дифосфатов) и фермента, называемого полинуклеотидфосфорилазой, выделенного Очоа и Грюнберг-Манаго. Если основанием является урацил, синтетический полинуклеотид называется поли-У (УУУУУУУ...). В присутствии смеси молекул тРНК, ферментов и других компонентов клеток поли-У инициирует синтез полипептида, содержащего аминокислоты только одного вида - а именно полифенилаланин. Таким образом, ясно, что триплет УУУ является кодоном для фенилаланина.

Этот метод может быть распространен (и это было сделано Очоа и Ниренбергом) на кодоны со смешанными основаниями, Например, полимеризация урацила может быть инициирована динуклеотидом АУУУУУУ.... Этот полинуклеотид вызывает синтез полифенилаланина с одним остатком тирозина на конце. Следовательно, кодоном для аминокислоты тирозина должен быть триплет АУУ. В результате этой работы были составлены таблицы кодонов для всех двадцати аминокислот. Оказалось, что большинство аминокислот имеет более одного кодона.

Следовательно, согласно современным представлениям, каждый фермент синтезируется путем линейной последовательности реакций соединения аминокислот, начинающейся на одном конце мРНК и заканчивающейся на другом ее конце, где белковая цепь полностью освобождается. По мере образования очередной пептидной связи "отработанная" тРНК отходит от мРНК. Это позволяет свежим тРНК подносить аминокислоты и начинать синтез второй молекулы белка, не дожидаясь окончания синтеза первой молекулы (рис. 11).

Рис. 11. Изображение последовательности белкового синтеза [5]. На этом рисунке АА обозначает аминокислоту; АТФ - аденозинтрифосфат; АМФ - аденозинмонофосфат; АА - АМФ - аденилат аминокислоты: тРНК - транспортную рибонуклеиновую кислоту; мРНК - информационную, или матричную, рибонуклеиновую кислоту, а, б и т. д. обозначают места связывания на рибосоме (тРНК), где происходит образование пептидной связи

Литература

1. Калюжный К. В. Справочник по биологии. Ростов-на-Дону: Феникс, 2002.

2. Константинов В. М. Общая биология. Учебник. М.: Академия, 2004.

3. Пименова И. Н., Пименов А. В. Лекции по биологии. Учебное пособие. М.: Лицей, 2003.

4. Ржевская Р. А. Медицинская биология. Конспект лекций. М.: Приор-издат., 2005.

Размещено на Allbest.ru