Репликация (редупликация) ДНК
Репликация ДНК — процесс самоудвоения, главное свойство молекулы ДНК. Репликация относится к категории реакций матричного синтеза, идет с участием ферментов. Под действием ферментов молекула ДНК раскручивается, и около каждой цепи, выступающей в роли матрицы, по принципам комплементарности и антипараллельности достраивается новая цепь. Таким образом, в каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая — вновь синтезированной. Такой способ синтеза называется полуконсервативным.
«Строительным материалом» и источником энергии для репликации являются дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ), содержащие три остатка фосфорной кислоты. При включении дезоксирибонуклеозидтрифосфатов в полинуклеотидную цепь два концевых остатка фосфорной кислоты отщепляются, и освободившаяся энергия используется на образование фосфодиэфирной связи между нуклеотидами.
В репликации участвуют следующие ферменты:
- геликазы («расплетают» ДНК);
- дестабилизирующие белки;
- ДНК-топоизомеразы (разрезают ДНК);
- ДНК-полимеразы (подбирают дезоксирибонуклеозидтрифосфаты и комплементарно присоединяют их к матричной цепи ДНК);
- РНК-праймазы (образуют РНК-затравки, праймеры);
- ДНК-лигазы (сшивают фрагменты ДНК).
С помощью геликаз в определенных участках ДНК расплетается, одноцепочечные участки ДНК связываются дестабилизирующими белками, образуется репликационная вилка. При расхождении 10 пар нуклеотидов (один виток спирали) молекула ДНК должна совершить полный оборот вокруг своей оси. Чтобы предотвратить это вращение ДНК-топоизомераза разрезает одну цепь ДНК, что дает ей возможность вращаться вокруг второй цепи.
ДНК-полимераза может присоединять нуклеотид только к 3′-углероду дезоксирибозы предыдущего нуклеотида, поэтому данный фермент способен передвигаться по матричной ДНК только в одном направлении: от 3′-конца к 5′-концу этой матричной ДНК. Так как в материнской ДНК цепи антипараллельны, то на ее разных цепях сборка дочерних полинуклеотидных цепей происходит по-разному и в противоположных направлениях. На цепи 3’–5′ синтез дочерней полинуклеотидной цепи идет без перерывов; эта дочерняя цепь будет называться лидирующей. На цепи 5’–3′ — прерывисто, фрагментами (фрагменты Оказаки), которые после завершения репликации ДНК-лигазами сшиваются в одну цепь; эта дочерняя цепь будет называться запаздывающей (отстающей).
Купить проверочные работы по биологии
Особенностью ДНК-полимеразы является то, что она может начинать свою работу только с «затравки» (праймера). Роль «затравок» выполняют короткие последовательности РНК, образуемые при участи фермента РНК-праймазы и спаренные с матричной ДНК. РНК-затравки после окончания сборки полинуклеотидных цепочек удаляются.
Репликация протекает сходно у прокариот и эукариот. Скорость синтеза ДНК у прокариот на порядок выше (1000 нуклеотидов в секунду), чем у эукариот (100 нуклеотидов в секунду). Репликация начинается одновременно в нескольких участках молекулы ДНК. Фрагмент ДНК от одной точки начала репликации до другой образует единицу репликации — репликон.
Репликация происходит перед делением клетки. Благодаря этой способности ДНК осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним.
История исследования
В 1847 из экстракта мышц быка было выделено вещество, которое получило название «инозиновая кислота». Это соединение стало первым изученным нуклеотидом. В течение последующих десятилетий были установлены детали его химического строения. В частности, было показано, что инозиновая кислота является рибозид-5′-фосфатом, и содержит N-гликозидную связь.
В 1868 году швейцарским химиком Фридрихом Мишером при изучении некоторых биологических субстанций было открыто неизвестное ранее вещество. Вещество содержало фосфор и не разлагалось под действием протеолитических ферментов. Также оно обладало выраженными кислотными свойствами. Вещество было названо «нуклеином»
Соединению была приписана брутто-формула C29H49N9O22P3.
Уилсон обратил внимание на практическую идентичность химического состава «нуклеина» и открытого незадолго до этого «хроматина» — главного компонента хромосом. Было выдвинуто предположение об особой роли «нуклеина» в передаче наследственной информации.
В 1889 г Рихард Альтман ввел термин «нуклеиновая кислота», а также разработал удобный способ получения нуклеиновых кислот, не содержащих белковых примесей.
Левин и Жакоб, изучая продукты щелочного гидролиза нуклеиновых кислот, выделили их основные составляющие — нуклеотиды и нуклеозиды, а также предложили адекватные структурные формулы, описывающие их свойства.
В 1921 году Левин выдвинул гипотезу «тетрануклеотидной структуры ДНК», оказавшуюся впоследствии ошибочной.
В 1935 году Клейн и Танхаузер с помощью фермента фосфатазы провели мягкое фрагментирование ДНК, в результате чего были получены в кристаллическом состоянии четыре ДНК-образующих нуклеотида
Это открыло новые возможности для установления структуры этих соединений.
В 1940-е годы научная группа в Кембридже под руководством Александера Тодда проводит широкие синтетические исследования в области химии нуклеотидов и нуклеозидов. В результате их работы были установлены все детали химического строения и стереохимии нуклеотидов. За цикл работ в этой области Александер Тодд был награждён Нобелевской премией в области химии в 1957 году.
В 1951 году Чаргаффом была установлена закономерность содержания в нуклеиновых кислотах нуклеотидов разных типов, получившая впоследствии название Правило Чаргаффа.
В 1953 году Уотсоном и Криком установлена вторичная структура ДНК, двойная спираль.
Роль нуклеиновых кислот
Довольно сложным был и сам путь к пониманию роли нуклеиновых кислот в жизни клеток.
Довольно скоро после открытия Мишером нуклеина биологи обнаружили, что в клеточных ядрах имеются особенные морфологические структуры, которые отчетливо заметны под микроскопом в момент деления клеток, они получили название «хромосомы».
Эти структуры закономерно распределялись по так называемым дочерним клеткам в ходе процесса клеточного деления. В первом же десятилетии века 20-ого стали высказываться предположения, согласно которым именно хромосомы — те самые носители наследственности, но сделать правильный дальнейший шаг — то есть связать наследственность с нуклеиновыми кислотами, находящимися в хромосомах, никто не догадался вплоть до 40-вых- 50-тых годов 20-го века.
Даже более того, со временем роль нуклеиновых кислот стали значительно преуменьшать. В конце 19-го века некоторые ученые на этот счет высказывали вполне разумные предположения. К примеру, известные биологи Рихард и Оскар Гертвиги в своих работах писали о возможности роли кислот в передаче важных наследственных признаков.
В 1897-мом году в статье «Нуклеины», размещённой в «Энциклопедическом словаре» Брокгауза и Эфрона было отмечено, что нуклеин имеет огромное распространение и везде, где присутствуют клеточные ядра, есть и нуклеин…
А ещё ему приписывается поистине выдающееся значение в размножении и развитии клеток. Однако позже эти в действительности правильные взгляды оказались забыты. Учёная мысль вплоть до 50-тых годов 20 века была скованной успехами в изучении свойств и структуры белковых молекул, а нуклеиновые кислоты же получили второстепенную роль.
В распространении всеобщего убеждения в том, что основополагающая роль в наследственности отводится именно белкам, определяющее значение сыграло то обстоятельство, что видный советский ученый Н. Кольцов, который предсказал механизм осуществления передачи различных наследственных признаков посредством специфического строения полимерных макромолекул, совершенно ошибочно считал, что роль данных «наследственных молекул» отводится белкам.
Строение и функции РНК
РНК — полимер, мономерами которой являются рибонуклеотиды. В отличие от ДНК, РНК образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой (исключение — некоторые РНК-содержащие вирусы имеют двухцепочечную РНК). Нуклеотиды РНК способны образовывать водородные связи между собой. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК.
Мономер РНК — нуклеотид (рибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания РНК также относятся к классам пиримидинов и пуринов.
Пиримидиновые основания РНК — урацил, цитозин, пуриновые основания — аденин и гуанин. Моносахарид нуклеотида РНК представлен рибозой.
Выделяют три вида РНК: 1) информационная (матричная) РНК — иРНК (мРНК), 2) транспортная РНК — тРНК, 3) рибосомная РНК — рРНК.
Все виды РНК представляют собой неразветвленные полинуклеотиды, имеют специфическую пространственную конформацию и принимают участие в процессах синтеза белка. Информация о строении всех видов РНК хранится в ДНК. Процесс синтеза РНК на матрице ДНК называется транскрипцией.
Транспортные РНК содержат обычно 76 (от 75 до 95) нуклеотидов; молекулярная масса — 25 000–30 000. На долю тРНК приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке. Функции тРНК: 1) транспорт аминокислот к месту синтеза белка, к рибосомам, 2) трансляционный посредник. В клетке встречается около 40 видов тРНК, каждый из них имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов. Однако у всех тРНК имеется несколько внутримолекулярных комплементарных участков, из-за которых тРНК приобретают конформацию, напоминающую по форме лист клевера. У любой тРНК есть петля для контакта с рибосомой (1), антикодоновая петля (2), петля для контакта с ферментом (3), акцепторный стебель (4), антикодон (5). Аминокислота присоединяется к 3′-концу акцепторного стебля. Антикодон — три нуклеотида, «опознающие» кодон иРНК. Следует подчеркнуть, что конкретная тРНК может транспортировать строго определенную аминокислоту, соответствующую ее антикодону. Специфичность соединения аминокислоты и тРНК достигается благодаря свойствам фермента аминоацил-тРНК-синтетаза.
Рибосомные РНК содержат 3000–5000 нуклеотидов; молекулярная масса — 1 000 000–1 500 000. На долю рРНК приходится 80–85% от общего содержания РНК в клетке. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы — органоиды, осуществляющие синтез белка. В эукариотических клетках синтез рРНК происходит в ядрышках. Функции рРНК: 1) необходимый структурный компонент рибосом и, таким образом, обеспечение функционирования рибосом; 2) обеспечение взаимодействия рибосомы и тРНК; 3) первоначальное связывание рибосомы и кодона-инициатора иРНК и определение рамки считывания, 4) формирование активного центра рибосомы.
Информационные РНК разнообразны по содержанию нуклеотидов и молекулярной массе (от 50 000 до 4 000 000). На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке. Функции иРНК: 1) перенос генетической информации от ДНК к рибосомам, 2) матрица для синтеза молекулы белка, 3) определение аминокислотной последовательности первичной структуры белковой молекулы.
Состав полимерной цепи нуклеиновых кислот.
Полимерная цепь нуклеиновых кислот собрана из фрагментов фосфорной кислоты Н3РО3 и фрагментов гетероциклических молекул, представляющих собой производные фурана. Есть лишь два вида нуклеиновых кислот, каждая построена на основе одного из двух типов таких гетероциклов – рибозы или дезоксирибозы (рис. 1).
Рис. 1. СТРОЕНИЕ РИБОЗЫ И ДЕЗОКСИРИБОЗЫ.
Название рибоза (от лат. Rib – ребро, скрепка) имеет окончание – оза, что указывает на принадлежность к классу сахаров (например, глюкоза, фруктоза). У второго соединения нет группы ОН (окси-группа), которая в рибозе отмечена красным цветом. В связи с этим втрое соединение называют дезоксирибозой, т.е., рибоза, лишенная окси-группы.
Полимерная цепь, построенная из фрагментов рибозы и фосфорной кислоты, представляет собой основу одной из нуклеиновых кислот –рибонуклеиновой кислоты (РНК). Термин «кислота» в названии этого соединения употреблен потому, что одна из кислотных групп ОН фосфорной кислоты остается незамещенной, что придает всему соединению слабокислый характер. Если вместо рибозы в образовании полимерной цепи участвует дезоксирибоза, то образуется дезоксирибонуклеиновая кислота, для которой повсеместно принято широко известное сокращение ДНК.
Нуклеиновые кислоты: решение задач
Задача 1.
В молекуле ДНК содержится 17% аденина. Определите, сколько (в %) в этой молекуле содержится других оснований.
Решение:
По первому правилу Чаргаффа А=Т, Г=Ц. В задаче дано А=17%, значит и тимина 17%. Всего тимина и гуанина 17+17=34%. Оставшиеся 66% делятся на гуанин и цитидин поровну. Г=33% и Ц=33%.
Ответ: в этой молекуле ДНК содержится:
Тимидина — 17%;
Гуанина — 33%;
Цитидина — 33%.
Задача 2.
Участок гена имеет следующее строение, состоящее из последовательности нуклеотидов: ЦГГ ЦГЦ ТЦА ААА ТЦГ …
Укажите строение соответствующего участка белка, информация о котором содержится в данном гене. Как отразится на строении белка удаление из гена четвёртого нуклеотида?
Генетический код
Решение:
Используя принцип комплементарности (в ДНК: А=Т, Г=Ц) соединения оснований водородными связями и таблицу генетического кода:
| Цепь ДНК | ЦГГ | ЦГЦ | ТЦА | ААА | ТЦГ |
| иРНК | ГЦЦ | ГЦГ | УГУ | УУУ | АГЦ |
| Цепь белка из аминркислот | Ала | Ала | Сер | Фен | Сер |
При удалении из гена четвёртого нуклеотида – Ц, произойдут заметные изменения – уменьшится количество и состав аминокислот в белке.
| ДНК | ЦГГ | ГЦТ | ЦАА | ААТ | ЦГ |
| иРНК | ГЦЦ | ЦГА | ГУУ | УУА | ГЦ |
| белок | Ала | Арг | Вал | Лей | — |
Задача 3.
Какую длину имеет участок ДНК, кодирующий синтез инсулина, который содержит 51 аминокислоту в двух цепях, если один нуклеотид занимает 3,4 А° (ангстрема) цепи ДНК? 1 А°=0,1 нм (нанометра)=0,0001 мкм (микрометра)=0,000 0001 мм=0,000 000 000 01 м.
Решение
1) 51Х3=153 (нуклеотида) – так как каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами.
2) 153 Х3,4 = 520,2 (А°)
Ответ: участок ДНК равен 520,2 А°
Функции нуклеиновых кислот
НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ представляют собой усложнённые высокомолекулярные соединения, которые имеются во всех без исключения клетках, присущих живым организмам и являются материальными носителями всей наследственной информации.
Нуклеиновым кислотам принадлежит ведущую роль не в одном лишь хранении, но ещё и в передаче важной информации потомкам, а также реализации ее на протяжении индивидуального развития буквально каждого организма. Нуклеиновые кислоты учёными были открыты уже в середине 60-тых годов 19 века (открытие сделал швейцарский ученый Ф
Мишер)
Нуклеиновые кислоты учёными были открыты уже в середине 60-тых годов 19 века (открытие сделал швейцарский ученый Ф. Мишер).
Во время опыта по обработке клетки гноя пепсином — ферментом из желудочного сока — Ф. Мишер с удивлением обнаружил, что ферментом переваривается не все клеточное содержимое, в их ядрах остаётся не разрушенным некое вещество.
Продолжив свои эксперименты на иных объектах, Мишер убедился в том, что им открыто новое вещество, которое сильно отличается от всех известных ранее веществ, имеющих биологическое происхождение (углеводов, белков, жиров и др.) собственным химическим строением.
Данное вещество Мишером было названо нуклеином, поскольку он нашёл его в клеточных ядрах (ядро — с латыни «нуклеус»). Но в связи со слабым уровнем тогдашнего развития лабораторного оборудования установить точно химическое строение открытого нуклеина учёный не смог.
Поднакопив довольно большое количество нуклеина, Мишер лишь смог обнаружить, что в составе его важная роль отводится какой-то неизвестной и очень сложной в плане своего строения кислоте.
Лишь намного позже было установлено, что нуклеин, открытый Мишером, состоял из прочного соединения белка с особенными по-настоящему сложными для проведения структурного анализа видами кислот, которые получили название «нуклеиновые кислоты».
Ещё одной составной частью нуклеинового вещества были белковые молекулы, так что, по сути, нуклеин из себя представлял химическое вещество, которое сейчас называется нуклеопротеином, либо хроматином.
Лишь по завершению 30-тых годов 20 века химический состав НК был уточнен, а кроме того, установлено, что существует два типа кислот — дезоксирибонуклеиновая (то есть ДНК) и рибонуклеиновая (или РНК), которые входят в клеточный состав абсолютно всех живых существ на планете.
Но, несмотря на это, детали строения нуклеиновых кислот оставались не совсем ясными вплоть до наступления 20-го века. В 50-тых гг., по словам ученого Д. Уотсона из Америки, установившего совместно с англичанином О. Криком базовые принципы ДНК-строения, относительно ДНК, по сравнению с белками, имелось крайне мало с точностью установленных данных.
Их изучением занимались лишь считанные химики, и если исключить тот факт, что НК представляют собой весьма большие молекулы, которые построены из мельчайших строительных блоков — так называемых нуклеотидов, о их химии не известно было ничего особенного, за что можно ухватиться генетику.
Даже более того, химики-органики, которые работали с ДНК, практически никогда генетикой не интересовались.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)
❖ Состав ДНК:
■ пятиуглеродный сахар дезокси-рибоза,
■ азотистые основания (аденин, гуанин, тимин, цитозин),
■ остаток фосфорной кислоты.
❖ Структура ДНК впервые расшифрована Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 г.
■ молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепочек, спирально закрученных одна относительно другой;
■нуклеотиды в каждой цепочке ДНК связаны друг с другом ковалентными фосфодиэфирными связями, образующимися между фосфатной группой одного нуклеотида и гидроксильной группой дезоксирибозы соседнего;
■ цепочки ДНК соединены друг с другом двумя или тремя водородными связями между комплементарными азотистыми основаниями: А = Т, Ц = Г.
Комплементарносгь — принцип, в соответствии с которым объединяются две полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК, а также осуществляется синтез всех типов РНК на молекулах ДНК и синтез полипептидов по и-РНК в рибосомах: против нуклеотида А одной цепи может быть только нуклеотид Т другой цепи, а против нуклеотида Г — только нуклеотид Ц.
❖ Правило Чаргофа (следствие комплементарности нуклеотидов): число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых: А = Т, а число гуаниловых нуклеотидов равно числу цити-диловых: Г = Ц; откуда следует, что А + Г = Т + Ц.
Свойства ДНК: эта молекула способна к транскрипции, репарации, репликации.
Транскрипция — это процесс «считывания» генетической информации с одной из нитей молекулы ДНК и копирования ее на молекулу и-РНК, происходящий путем биосинтеза молекул и-РНК на соответствующих участках ДНК; является первым этапом реализации генетической информации в живых клетках.
■ Транскрипция происходит с помощью фермента РНК-лоли-меразы, который, двигаясь по молекуле ДНК, подбирает нуклеотиды, комплементарные нуклеотидам участка ДНК, и соединяет их в цепочку и-РНК.
Репарация — процесс исправления повреждений (восстановления) в молекулах ДНК и компенсации уже закрепившихся мутаций; происходит при участии особых ферментов.
Репликация (или удвоение) ДНК — происходящий под контролем ферментов процесс синтеза новой молекулы ДНК как точной копии уже существующей молекулы ДНК при ее использовании как матрицы; наблюдается в ходе подготовки клетки к делению. Матричный синтез ДНК идет по принципу комплементарности, антипараллельно; полуконсервативный прерывистый матричный синтез — от 3′- к 5′-концу.
❖ Этапы репликации ДНК:
■ постепенное разделение (с помощью специального фермента) комплементарных цепей ДНК в результате разрыва водородных связей между ними;
■ деспирализация разделившихся участков полинуклеотидных цепей ДНК (происходит при участии фермента ДНК-изомеразы);
■ комплементарный синтез новых (дочерних) полинуклеотидных цепей на каждой из старых цепей как на матрице; осуществляется с помощью фермента ДНК-полимеразы.
Локализация ДНК в клетках:
■ в хромосомах клеточного ядра (около 99% всей ДНК клетки), в митохондриях и пластидах эукариотических клеток;
■ в прокариотических клетках погружена в цитоплазму.
❖Функции ДНК: хранение, передача дочерним клеткам и воспроизведение генетической информации.
■В ДНК любой клетки закодирована информация о строении, количестве и последовательности синтеза всех белков данного организма.
Нуклеотид
Чтобы понять, что такое нуклеиновая кислота, следует рассмотреть строение мономерного звена. Полимерная молекула нуклеиновой кислоты называется полинуклеотидом и состоит из нуклеотидов.Эти органические соединения образованы:
- азотистым основанием;
- остатком фосфорной кислоты;
- пятиуглеродным сахаром.
Рис. 1. Строение нуклеотида.
Нуклеотиды образуют не только нуклеиновые кислоты, но и являются основой молекул АТФ (аденозинтрифосфата), АДФ (аденозиндифосфата), АМФ (аденозинмонофосфата).
Азотистые основания могут быть двух видов:
- пурины;
- пиримидины.
К пуринам относятся аденин и гуанин. Они отличаются наличием двух колец. К пиримидинам относятся тимин, цитозин, урацил. Сахар, связываясь с одним из видов азотистого основания, образует нуклеозид, название которого соответствует названию азотистого основания (аденозин, гуанозин, тимидин, цитидин, уридин).
Рис. 2. Пурины и пиримидины.
Нуклеозид, соединяясь с остатком фосфорной кислоты (РО4), образует нуклеотид. Несколько линейно соединённых нуклеотидов с помощью связи C-O-P образуют цепочку нуклеиновой кислоты.
Нуклеиновые кислоты располагаются в ядре эукариот и в цитоплазме прокариот.
Транспортная РНК (тРНК)
Транспортная РНК — это достаточно маленькая (по меркам полимеров) молекула (количество нуклеотидов бывает разным, в среднем около 80-ти), во вторичной структуре имеет форму клеверного листа, в третичной сворачивается в нечто подобное букве Г.
Функция тРНК — присоединение к себе соответствующей своему антикодону аминокислоты. В дальнейшем соединение с рибосомой, находящейся на соответствующем антикодону кодоне иРНК, и «передача» этой аминокислоты. Обобщая, можно сказать, что транспортная РНК переносит (на то она и транспортная) аминокислоты к месту синтеза белка.
Живая природа на Земле использует всего около 20-ти аминокислот для синтеза различных белковых молекул (на самом деле аминокислот куда больше). Но поскольку, согласно генетическому коду, кодонов больше 60-ти, то каждой аминокислоте может соответствовать несколько кодонов (на самом деле какой-то больше, какой-то меньше). Таким образом, разновидностей тРНК больше 20, при этом разные транспортные РНК переносят одинаковые аминокислоты. (Но и тут не так все просто.)
Участие ДНК и РНК в синтезе белков
– одна из основных функций нуклеиновых кислот. Белки – важнейшие компоненты каждого живого организма. Мышцы, внутренние органы, костная ткань, кожный и волосяной покров млекопитающих состоят из белков. Это полимерные соединения, которые собираются в живом организме из различных аминокислот. В такой сборке управляющую роль играют нуклеиновые кислоты, процесс проходит в две стадии, причем на каждой из них определяющий фактор – взаимоориентация азотсодержащих гетероциклов ДНК и РНК.
Основная задача ДНК – хранить записанную информацию и предоставлять в тот момент, когда начинается синтез белков. В связи с этим понятна повышенная химическая устойчивость ДНК в сравнении с РНК. Природа позаботилась о том, чтобы сохранить по возможности основную информацию неприкосновенной.
На первой стадии часть двойной спирали раскрывается, освободившиеся ветви расходятся, и на группах А, Т, Г и Ц, оказавшихся доступными, начинается синтез РНК, называемой матричной РНК, поскольку она как копия с матрицы точно воспроизводит информацию, записанную на раскрывшемся участке ДНК. Напротив группы А, принадлежащей молекуле ДНК, располагается фрагмент будущей матричной РНК, содержащий группу У, все остальные группы располагаются друг напротив друга в точном соответствии с тем, как это происходит при образовании двойной спирали ДНК (рис. 13).
По указанной схеме образуются полимерная молекула матричной РНК, содержащая несколько тысяч мономерных звеньев.
На втором этапе матричная ДНК перемещается из ядра клетки в околоядерное пространство – цитоплазму. К полученной матричной РНК подходят так называемые транспортные РНК, которые несут с собой (транспортируют) различные аминокислоты. Каждая транспортная РНК, нагруженная определенной аминокислотой, приближается к строго обусловленному участку матричной РНК, нужное место обнаруживается с помощью все того же принципа взаимосоответствия групп А—У, и Г—Ц. В конечном итоге две аминокислоты, оказавшиеся рядом, взаимодействуют между собой, так начинается сборка будущей белковой молекулы (рис. 14).
Важная деталь состоит в том, что временное взаимодействие матричной и транспортной РНК проходит всего по трем группам, например, к триаде Ц—Ц—У матричной кислоты может подойти только соответствующая ей тройка Г—Г—А транспортной РНК, которая непременно несет с собой аминокислоту глицин (рис. 14). Точно также к триаде Г—А—У может приблизиться лишь набор Ц—У—А, транспортирующий только аминокислоту лейцин. Таким образом, последовательность групп в матричной РНК указывает, в каком порядке должны соединяться аминокислоты. Кроме того, система содержит в закодированном виде дополнительные регулирующие правила, некоторые последовательности из трех групп матричной РНК указывает на то, что в этом месте синтез белка должен остановиться, т.е. молекула достигла необходимой длины.
Показанный на рис. 14 синтез белка проходит с участием еще одного – третьего вида РНКислот, они входят в состав рибосом и потому их называют рибосомными. Рибосома, представляющая собой ансамбль определенных белков рибосомных РНК, обеспечивает взаимодействие матричной и транспортной РНК, играя роль конвейерной ленты, которая передвигает матричную РНК на один шаг после того, как произошло соединение двух аминокислот.
Основной смысл двухстадийной схемы, показанной на рис. 13 и 14, состоит в том, что полимерная цепь белковой молекулы собирается из различных аминокислот в намеченном порядке и строго по тому плану, который был записан в закодированном виде на определенном участке ДНК. Таким образом, ДНК представляет собой отправную точку всего этого запрограммированного процесса.
В процессе жизнедеятельности белки постоянно расходуются, и потому они регулярно воспроизводятся по описанной схеме, весь синтез белковой молекулы, состоящей из сотен аминокислот, проходит в живом организме приблизительно в течение одной минуты.
Первые исследования нуклеиновых кислот были проведены во второй половине 19 в., понимание того, что в ДНК зашифрована вся информация о живом организме, пришло в середине 20 в., структуру двойной спирали ДНК установили в 1953 Дж.Уотсон и Ф.Крик на основании данных рентгеноструктурного анализа, что признано крупнейшим научным достижением 20 столетия. В середине 70-х годов 20 в. появились методики расшифровки детальной структуры нуклеиновых кислот, а вслед за тем были разработаны способы их направленного синтеза. Сегодня ясны далеко не все процессы, происходящие в живых организмах с участием нуклеиновых кислот, и сегодня это одна из самых интенсивно развивающихся областей науки.
Михаил Левицкий
Строение и функции ДНК
ДНК — полимер, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды. Модель пространственного строения молекулы ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком (для построения этой модели они использовали работы М. Уилкинса, Р. Франклин, Э. Чаргаффа).
Молекула ДНК образована двумя полинуклеотидными цепями, спирально закрученными друг около друга и вместе вокруг воображаемой оси, т.е. представляет собой двойную спираль (исключение — некоторые ДНК-содержащие вирусы имеют одноцепочечную ДНК). Диаметр двойной спирали ДНК — 2 нм, расстояние между соседними нуклеотидами — 0,34 нм, на один оборот спирали приходится 10 пар нуклеотидов. Длина молекулы может достигать нескольких сантиметров. Молекулярный вес — десятки и сотни миллионов. Суммарная длина ДНК ядра клетки человека — около 2 м. В эукариотических клетках ДНК образует комплексы с белками и имеет специфическую пространственную конформацию.
Мономер ДНК — нуклеотид (дезоксирибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания нуклеиновых кислот относятся к классам пиримидинов и пуринов. Пиримидиновые основания ДНК (имеют в составе своей молекулы одно кольцо) — тимин, цитозин. Пуриновые основания (имеют два кольца) — аденин и гуанин.
Моносахарид нуклеотида ДНК представлен дезоксирибозой.
Название нуклеотида является производным от названия соответствующего основания. Нуклеотиды и азотистые основания обозначаются заглавными буквами.
| Азотистое основание | Название нуклеотида | Обозначение |
|---|---|---|
| Аденин | Адениловый | А (A) |
| Гуанин | Гуаниловый | Г (G) |
| Тимин | Тимидиловый | Т (T) |
| Цитозин | Цитидиловый | Ц (C) |
Полинуклеотидная цепь образуется в результате реакций конденсации нуклеотидов. При этом между 3′-углеродом остатка дезоксирибозы одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает фосфоэфирная связь (относится к категории прочных ковалентных связей). Один конец полинуклеотидной цепи заканчивается 5′-углеродом (его называют 5′-концом), другой — 3′-углеродом (3′-концом).
Против одной цепи нуклеотидов располагается вторая цепь. Расположение нуклеотидов в этих двух цепях не случайное, а строго определенное: против аденина одной цепи в другой цепи всегда располагается тимин, а против гуанина — всегда цитозин, между аденином и тимином возникают две водородные связи, между гуанином и цитозином — три водородные связи. Закономерность, согласно которой нуклеотиды разных цепей ДНК строго упорядоченно располагаются (аденин — тимин, гуанин — цитозин) и избирательно соединяются друг с другом, называется принципом комплементарности. Следует отметить, что Дж. Уотсон и Ф. Крик пришли к пониманию принципа комплементарности после ознакомления с работами Э. Чаргаффа. Э. Чаргафф, изучив огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, установил, что в любом фрагменте ДНК содержание остатков гуанина всегда точно соответствует содержанию цитозина, а аденина — тимину («правило Чаргаффа»), но объяснить этот факт он не смог.
Из принципа комплементарности следует, что последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой.
Цепи ДНК антипараллельны (разнонаправлены), т.е. нуклеотиды разных цепей располагаются в противоположных направлениях, и, следовательно, напротив 3′-конца одной цепи находится 5′-конец другой. Молекулу ДНК иногда сравнивают с винтовой лестницей. «Перила» этой лестницы — сахарофосфатный остов (чередующиеся остатки дезоксирибозы и фосфорной кислоты); «ступени» — комплементарные азотистые основания.
Функция ДНК — хранение и передача наследственной информации.
Структура РНК
во многом напоминает ДНК, отличие в том, что в основной цепи фрагменты фосфорной кислоты чередуются с рибозой, а не с дезоксирибозой (рис.). Второе отличие – к боковому обрамлению присоединяется гетероцикл урацил (У) вместо тимина (Т), остальные гетероциклы А, Г и Ц те же, что у ДНК. Урацил отличается от тимина отсутствием метильной группы, присоединенной к циклу, на рис. 10 эта метильная группа выделена красным цветом.
Рис. 10. ОТЛИЧИЕ ТИМИНА ОТ УРАЦИЛА – отсутствие у второго соединения метильной группы, выделенной в тимине красным цветом.
Фрагмент молекулы РНК показан на рис. 11, порядок следования группировок А, У, Г и Ц, а также их количественное соотношение может быть различным.
Рис.11. ФРАГМЕНТ МОЛЕКУЛЫ РНК. Основное отличие от ДНК – наличие группировок ОН в рибозе (красный цвет) и фрагмента урацила (синий цвет).
Полимерная цепь РНК приблизительно в десять раз короче, чем у ДНК. Дополнительное отличие в том, что молекулы РНК не объединяются в двойные спирали, состоящие из двух молекул, а обычно существуют в виде одиночной молекулы, которая на некоторых участках может образовывать сама с собой двухцепные спиральные фрагменты, чередующиеся с линейными участками. На спиральных участках взаимодействие пар соблюдается также строго, как в ДНК. Пары, связанные водородными связями и формирующие спираль (А—У и Г—Ц), возникают на тех участках, где расположение групп оказывается благоприятным для такого взаимодействия (рис. 12).
Для подавляющего большинства живых организмов количественное содержание пар А—У больше чем Г—Ц, у млекопитающих в 1,5–1,6 раза, у растений – в 1,2 раза. Существует несколько типов РНК, роли, которых в живом организме различны.
