Структура и функции рибонуклеиновых кислот

Физико-химические свойства ДНК

Различные факторы, нарушающие водородные связи (повышение температуры выше 80 С, изменение рН и ионной силы, действие мочевины и др.), вызывают денатурацию ДНК, т.е. изменение пространственного расположения цепей ДНК без разрыва ковалентных связей. Двойная спираль ДНК при денатурации полностью или частично разделяется на составляющие цепи. Денатурация ДНК сопровождается усилением оптического поглощения в УФ области пуриновых и пиримидиновых оснований. Это явление называют гиперхромным эффектом. При денатурации уменьшается также высокая вязкость, присущая растворам нативной ДНК. При восстановлении первоначальной двухспиральной структуры ДНК, в результате ренатурации, поглощение при 260 нм азотистыми основаниями вследствие их «экранированности» уменьшается. Это явление называют гипохромным эффектом.

«Расплетение» каждой ДНК на составляющие ее цепи осуществляется в пределах определенного интервала температур. Средняя точка этого интервала называется температурой плавления. Температура плавления ДНК зависит в стандартных условиях (определенная рН и ионная сила) от соотношения азотистых оснований. Г-Ц пары, содержащие три водородные связи, более прочные, поэтому, чем больше в ДНК содержание Г-Ц пар, тем выше температура плавления.

Функции ДНК. В последовательности нуклеотидов молекулах ДНК закодирована генетическая информация. Основными функциями ДНК являются, во-первых, обеспечение воспроизводства самой себя в ряду клеточных поколений и поколений организмов, во-вторых, обеспечение синтеза белков. Эти функции обусловлены тем, что молекулы ДНК служат матрицей в первом случае для репликации, т.е. копирования информации в дочерних молекулах ДНК, во втором – для транскрипции, т.е. для перекодирования информации в структуру РНК.

Рис. 5 Кривая плавления (денатурации ДНК)

Комплементарные цепи ДНК, разделенные при денатурации, при определенных условиях могут вновь соединиться в двойную спираль. Этот процесс называется РЕНАТУРАЦИЕЙ. Если денатурация произошла не полностью и хотя бы несколько оснований не утратили взаимодействия водородными связями, ренатурация протекает очень быстро.

Содержащиеся в клетке РНК различаются составом, размером, функциями и локализацией.

В цитоплазме клеток содержатся три основных функциональных вида РНК. Это матричные РНК – мРНК, выполняющие функции матриц белкового синтеза, рибосомные РНК – рРНК, выполняющие роль структурных компонентов рибосом, и транспортные РНК – тРНК, участвующие в трансляции (переводе) информации мРНК в последовательность аминокислот в белке.

В таблице 2 представлены отличия ДНК от РНК по строению, локализации в клетке и функциям.

Таблица 2 Отличия ДНК от РНК

ДНК	РНК
Строение сахар дезоксирибоза	Строение сахар рибоза
двуцепочечная (двойная спираль)	одноцепочечная
Основания - аденин - гуанин - цитозин - тимин	Основания вместо тимина     урацил
Локализация в клетке - в ядре (в хромосомах); - в митохондриях кольцевая двуцепочечная; - в хлоропластах высших растений.	Локализация в клетке - м-РНК в ядрышке - р-РНК в рибосомах - т-РНК в цитоплазме
Функции Кодирует последовательность аминокислот в белке, т.е. хранит генетическую информацию	Функции - м-РНК служит матрицей, т.е. передает информацию ДНК м-РНК белок; - т-РНК транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка; - р-РНК в составе рибосом, составляет 65% от их вида, выполняет структурную функцию

В ядре клеток обнаруживают ядерную РНК, составляющую от 4 до 10% от суммарной клеточной РНК. Основная масса ядерной РНК представлена высокомолекулярными предшественниками рибосомных и транспортных РНК. Предшественники высокомолекулярных рРНК (28S, 18S и 5S) в основном локализуются в ядрышке. От 2 до 10% от суммарной ядерной РНК приходится на особую фракцию гетерогенной ядерной РНК (гяРНК), молекулы которой являются предшественниками мРНК.

Важным функциональным типом ядерной РНК являются малые ядерные РНК (мяРНК), содержащие от 90 до 300 нуклеотидов с уникальной нуклеотидной последовательностью, комплементарной последовательности сайтов сплайсинга. Благодаря этому мяРНК регулирует созревание (процессинг) гяРНК в зрелые мРНК.

РНК является основным генетическим материалом у некоторых вирусов животных и растений (геномные РНК). Для большинства РНК вирусов характерна обратная транскрипция их РНК генома, направляемая обратной транскриптазой.

Все рибонуклеиновые кислоты представляют собой полимеры рибонуклеотидов, соединенных, как в молекуле ДНК, 3′, 5′ - фосфодиэфирными связями. В отличие от ДНК, имеющей двуцепочечную структуру, РНК представляет одноцепочечные линейные полимерные молекулы.

К настоящему времени удалось определить первичную структуру большинства тРНК, рРНК, мРНК и мяРНК из разных видов живых организмов и выявить основные закономерности их структурной организации.

Структурная организация мРНК. мРНК – наиболее гетерогенный в отношении размеров и стабильности класс РНК. Содержание мРНК в клетках составляет 2-6 % от тотального количества РНК. мРНК, особенно эукариотические, обладают некоторыми специфическими структурными особенностями. мРНК состоят из участков – цистронов, определяющих последовательность аминокислот в кодируемых ими белках, и нетраслируемых областей на концах молекулы. Для цистронных областей характерно уникальная последовательность нуклеотидов, определяемая нуклеотидной последовательностью гена, нетраслируемые области имеют некоторые общие закономерности строения. Так, на 5′ - конце всех эукариотических мРНК имеется особая структура, называемая кэпом (от англ. сap – шапка). Кэп представляет собой 7 – метилгуанозинтрифосфат, присоединенный к 5′ - гидроксилу концевого остатка мРНК посредством трифосфатной связи. Образование кэпа происходит ферментативным путем в ядре еще до завершения транскрипции. Считается, что кэп, с одной стороны, предохраняет 5′ - конец мРНК от ее расщепления экзонуклеазами, с другой стороны, используется для специфического узнавания при трансляции. За кэпом следует прецистронный нетранслируемый участок, в котором (3-15 нуклеотидов до инициирующего кодона) располагается последовательность нуклеотидов, комплементарная последовательности рРНК. Ее роль – обеспечение правильного взаимодействия 5′ - конца с рибосомой. Завершается цистрон терминирующим кодоном, за которым следует постцистронный нетраслируемый участок, имеющий в своем составе характерный для многих видов гексануклеотид ААУААА. У большинства мРНК 3′ - конец содержит полиаденилатную цепочку из 100-250 адениловых нуклеотидов, не являющуюся результатом транскрипции, а присоединяющуюся к мРНК входе созревания в ядре ферментативным путем. Предполагается, что полиаденилатная последовательность отвечает за поддержание внутриклеточной стабильности мРНК, определяет ее время существования.

мРНК обладают сложной вторичной структурой, обеспечивающей выполнение ими матричной функции в ходе трансляции. Показано, что в целом в линейной молекуле мРНК формируется несколько двухспиральных шпилек, на концах которых, на концах которых располагаются «знаки» инициации и терминации трансляции.

Структурная организация тРНК. Транспортные РНК выполняют функции посредников (адапторов) в ходе трансляции мРНК. Каждой из 20 протеиногенных аминокислот соответствует своя тРНК. Для некоторых аминокислот, кодируемых двуямя и более кодонами, существует несколько тРНК.тРНК представляют собой сравнительно небольшие одноцепочечные молекулы, состоящие из 70-93 нуклеотидов. Их молекулярная масса составляет (2,4-3,1) ∙ 10⁴ кДа. На долю тРНК приходится примерно 15% суммарной клеточной РНК.

К настоящему времени установлена нуклеотидная последовательность почти для 300 тРНК, выделенных из разных видов организмов и обладающих разной аминокислотной специфичностью. Несмотря на различия нуклеотидной последовательности все тРНК имеют много общих черт. Во всех тРНК 8 или более нуклеотидов содержат различные минорные модифицированные основания (всего около 60), многие из которых представляют собой метилированные пуриновые или пиримидиновые основания. Обязательными минорными компонентами для всех тРНК являются дигидроуридин и псевдоуридин. В большинстве тРНК на 5′ - конце находится остаток гуаниловой кислоты, на 3′ - конце всех тРНК, называемом акцепторным, обязательным является тринуклеотид – ЦЦА (3′). Некоторые модифицированные нуклеозида в тРНК представлены ниже.

Вторичная структура тРНК формируется за счет образования максимального числа водородных связей между внутримолекулярными комплементарными парами азотистых оснований. В результате образования этих связей полинуклеотидная цепь тРНК закручивается с образованием спирализованных ветвей, заканчивающихся петлями из неспаренных нуклеотидов. Пространственное изображение вторичных структур всех тРНК имеет форму клеверного листа (рис. 6).

В «клеверном листе» различают 4 обязательные ветви, более длинные тРНК, кроме того, содержат короткую петлю (дополнительную ветвь).

Адапторную функцию тРНК обеспечивают акцеторная ветвь, к 3′ - концу которой присоединяется эфирной связью аминокислотный остаток, и противостоящая акцепторной ветви антикодоновая ветвь, на вершине котрой находится петля, содержащая антикодон. Антикодон представляет собой специфический триплет нуклеотидов, который комплементарен в антипараллельном направлении кодону мРНК, кодирующему соответствующую аминокислоту.

Т-ветвь, несущая петлю псевдоуридина, обеспечивает взаимодействие тРНК с рибосомами. Д-ветвь, несущая дегидроуридиновую петлю, вероятнее всего, обеспечивает взаимодействие тРНК с соответствующей аминоацил – тРНК- синтетазой. Функции пятой дополнительной ветви пока мало исследованы, вероятнее всего, она уравнивает длину разных молекул тРНК.

Рис. 6 Вторичная структура тРНК

Третичная структура тРНК компактна и образуется путем сближения отдельных ветвей клеверного листа за счет дополнительных водородных связей и стэкинг-взаимоденйствий, с образованием L-образной структуры «локтевого сгиба» (рис. 7).

Рис. 7 Третичная структура тРНК

При этом акцепторное плечо, связывающее аминокислоту, оказывается расположенным на одном конце молекулы, а антикодон – на другом. Третичные структуры всех тРНК настолько похожи, что смесь различных тРНК образует кристаллы. В тоже время имеющиеся в пространственной структуре незначительные отличия обеспечивают специфическое узнавание тРНК соответствующими аминоацил-тРНК-синтетазами.

Структура рибосомных РНК и рибосом. Рибосомные РНК формируют ту основу, с которой связываются специфические белки при образовании рибосом. Рибосомы – это нуклеопротеиновые органеллы, обеспечивающие синтез белка на мРНК-матрице. Число рибосом в клетке очень велико: от 10⁴ у прокариот до 10⁶ у эукариот. Локализуются рибосомы, главным образом, в цитоплазме, у эукариот, кроме того, в ядрышке, в матриксе митохондрий и строме хлоропластов. Рибосомы состоят из двух субчастиц: большой и малой. По размерам и молекулярной массе рибосомы делят на 3 группы – 70 S рибосомы прокариот, состоящие из малой 30 S и большой 50 S субчастиц, 80 S рибосомы эукариот, состоящие из 40 S малой и 60 S большой субчастиц, и рибосомы митохондрий и хлоропластов, которые в общем относят к классу 70 S, однако они различаются по коэффициентам седиментации у разных групп эукариот. Малая и большая субъединицы рибосом про- и эукариот образованы молекулами рРНК и белками (см. рис. 17).

Вторичная структура рРНК образуется за счет коротких двухспиральных участков молекулы – шпилек. Около 2/3 рРНК организовано в шпильки, 1/3 – представлена однотяжевыми участками, богатыми пуриновыми нуклеотидами, с которыми преимущественно связываются белки. Белки рибосом обладают основным характером, выполняют как структурную, так и ферментативную роль.

Исследования последних лет показали, что рибосомные РНК являются не только структурными компонентами рибосом, но и обеспечивают правильное связывание их с определенной нуклеотидной последовательностью мРНК, устанавливая тем самым начало и рамку считывания при образовании полипептидной цепи. Кроме того, рРНК участвуют в обеспечении взаимодействия рибосом с тРНК.

Тесты к модулю 1 «Нуклеиновые кислоты»

1. Нуклеиновые кислоты впервые были выделены

а) Ф.Криком и Д.Уотсоном

б) М. Ниренбергом и сотр.

в) Ф. Мишером

г) Е. Чаргаффом

д) Ф. Сангером

2. Впервые доказали генетическую роль ДНК

а) Ф. Сангер и сотр.

б) Е. Чаргафф и сотр.

в) М. Эвери и сотр.

г) Ф.Крик и Д.Уотсон

д) Ф. Мишер

3. Какое открытие принадлежит Д.Уотсону и Ф.Крику?

а) хромосомная теория наследственности

б) бинарная номенклатура

в) теория эволюции

г) структурная модель молекулы ДНК

д) открытие вирусов

4. Структуру двойной спирали имеет молекула

а) белка

б) ДНК

в) т-РНК

г) р-РНК

д) полипептида

5. Отрезок молекулы ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называется

а) интрон

б) ген

в) хромосома

г) нуклеотид

д) нуклеосома

6. Структурной единицей нуклеиновой кислоты является:

а) мононуклеотид;

б) аминокислота;

в) нуклеозид;

г) пуриновое или пиримидиновое основание;

д) углевод

7. Отдельные нуклеотиды в молекулах нуклеиновых кислот связаны:

а) О-гликозидной связью;

б) 3, 5-фосфодиэфирной связью;

в) N-гликозидной связью;

г) a -1,4-гликозидной связью;

д) b -1,4-гликозидной связью

8. Основания в нуклеиновой кислоте связаны с углеводом:

а) О-гликозидной связью;

6) 3, 5-фосфодиэфирной связью;

в) N-гликозидной связью;

г) a -1,4-гликозидной связью;

д) b -1,4-гликозидной связью

9. Назовите пуриновые основания (1), пиримидиновые основания (2):

а) аденин;

б) гуанин;

в) цитозин;

г) тимин;

д) урацил

10. Перечислите основания, входящие только в РНК (1), только в ДНК (2), в обе нуклеиновые кислоты (3):

а) тимин;

б) аденин;

в) урацил;

г) цитозин;

д) гуанин;

11. В состав ДНК входят все основания, кроме:

а) аденин;

б) тимин;

в) урацил;

г) гуанин;

д) цитозин;

12. В состав РНК входят все основания, кроме:

а) аденин;

б) тимин;

в) урацил;

г) гуанин;

д) цитозин

13. Спаривание оснований в ДНК осуществляется за счет образования:

а) 3'-5'-фосфодиэфирной связи;

б) водородных связей

в) ионных связей

г) ван-дерваальсовых сил;

д) гидрофобных связей

14. Тимин в цепи ДНК комплементарен

а) тимину

б) цитозину

в) гуанину

г) аденину

д) урацилу

15. Цитозин в цепи ДНК комплементарен

а) тимину

б) цитозину

в) гуанину

г) аденину

д) урацилу

16. Если одна цепь ДНК содержит фрагмент Г-Ц-Ц-А-А-Т-Г-Ц-А-Ц, то вторая цепь:

а) А-А-Ц-А-Т-Т-Г-Г-Т-Г;

б) Ц-Т-Г-Т-А-А-Т-А-Т-Г;

в) Ц-Ц-А-А-Т-Г-А-Т-Г-Т;

г) Т-Ц-Г-Г-Т-Г-Т-Ц-Т-Т;

д) Ц-Г-Г-Т-Т-А-Ц-Г-Т-Г

17. Если одна цепь ДНК содержит фрагмент Ц-Т-Г-Т-А-А-Т-А-Т-Г, то вторая цепь:

а) Г-Ц-Ц-А-Т-Т-Г-Ц-Г-А;

б) Г-А-Ц-А-А-Т-А-Т-Ц-Ц:

в) А-А-Т-Ц-Ц-Г-А-Т-Т-Г:

г) Г-А-Ц-А-Т-Т-А-Т-А-Ц:

д) Г-А-А-Т-Ц-Ц-Г-Г-Т-А

18. Если одна цепь ДНК содержит фрагмент Т-Ц-Г-Г-Т-Г-Т-Ц-А-А, то вторая цепь:

а) Г-А-Ц-А-А-Т-А-Т-Ц-Ц;

б) А-Т-Ц-Ц-Т-А-Г-Ц-Г-А:

в) А-Г-Ц-Ц-А-Ц-А-Г-Т-Т;

г) А-Т-Т-Ц-Г-Г-А-Ц-Ц-А:

д) А-Г-Ц-Ц-Ц-А-А-Г-Г-Т

19. Если содержание аденина в ДНК составляет 10 %, то содержание цитозина составит:

а) 10 %

б) 20 %

в) 15 %

г) 40 %

д) 30 %

20. Выберите все, что характерно для ДНК:

а) молекулярная масса млн дальтон и выше;

б) одноцепочечная;

в) двухцепочечная;

г) небольшая молекулярная масса,

д) содержит урацил;

е) содержат тимин;

ж) содержит рибозу;

з) содержит дезоксирибозу

21. Выберите все, что характерно для РНК:

а) молекулярная масса млн дальтон и выше;

б) одноцепочечная;

е) двухцепочечная;

г) небольшая молекулярная масса;

д) содержит урацил;

е) содержит тимин;

ж) содержит рибозу;

з) содержит дезоксирибозу

22. Выберите все, что характерно для РНК (1) и для ДНК (2):

а) молекулярная масса млн дальтон и выше;

б) одноцепочечная;

в) двухцвпочечная;

г) небольшая молекулярная масса;

д) содержит урацил;

е) содержит тимин;

ж) содержит рибозу;

з) содержит дезоксирибозу

23. В молекуле ДНК (В-форма) на один виток спирали приходится следующее количество нуклеотидов:

а) 10

б) 15

в) 3

г) 5

д) 20

24. Для ДНК характерно все, кроме:

а) количество А и Т одинаково;

б) количество Г и Ц одинаково;

в) одна полинуклеотидная цепь комплементарна другой;

г) нуклеотидная последовательность одной цепы идентична нуклеотидной последовательности другой;

д) полинуклеотидные цепи антипараллельны

25. Выберите все, что характерно для двойной спирали ДНК:

а) цепи параллельны;

б) цепи антипараллельны;

в) закручена в правую сторону;

г) закручена в левую сторону;

д) цепи комплементарны;

е) диаметр спирали 5,0 нм;

ж) диаметр спирали 2,0 нм

26. Значение ДНК заключается в том, что она:

а) участвует в синтезе белка на рибосоме;

б) является носителем генетической информации;

в) участвует в переносе информации в цитоплазму,

г) регулирует трансляцию;

д) все утверждения верны

27. Подберите к перечисленным функциям, обозначенным буквами, соответствующий вид нуклеиновой кислоты, обозначенный цифрами:

а) осуществляет передачу генетической информации;

б) являются структурными компонентами рибосом;

в) выполняют адапторную функцию;

г) служат матрицами для синтеза белка;

д) служат матрицами для синтеза РНК;

1) мРНК

2) ДНК

3) тРНК

4) рРНК

28. Универсальной пространственной структурой тРНК является модель

а) «клеверного листа»

б) «ключа и замка»
в) «руки и перчатки»
г) «цинковых пальцев»

д) «a-спираль-поворот-a-спираль»

29. Нуклеопротеиновая частица, играющая важную роль в упаковке и организации ДНК в ядре, называется

а) теломера

б) нуклеосома

в) оперон

г) рибосома

д) полисома

30. Ядро нуклеосомы составляют

а) негистоновые белки

б) белок убиквитин

в) гистоновые белки

г) семейство сайт-специфических белков типа «цинковых пальцев»

д) все перечисленное

31. Последовательности ДНК, связывающие нуклеосомы, называются

а) интроном

б) линкером

в) экзоном

г) сателлитной ДНК

д) эгоистичной ДНК

32. Расхождение цепей в двухцепочечной ДНК – это

а) лигирование

б) секвенирование

в) амплификация

г) ренатурация

д) плавление