Строение и функции ДНК

Нуклеиновые кислоты

(2 часа)

Строение и функции нуклеотидов

Строение и функции ДНК

Строение и функции РНК

Генетический код

Полинуклеотиды (ПН) – это гетерополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. В состав нуклеотида входят три составные части: азотистое основание, остаток пентозы (рибоза или дезоксирибоза) и остаток фосфорной кислоты. В состав нуклеозида входят азотистое основание и углеводный компонент.

Азотистые основания - пиримидиновые или пуриновые. В НК содержатся основания 4-х разных видов: два из класса пуринов и два – из пиримидинов. Азот, содержащийся в кольцах, придает молекулам основные свойства.

Пиримидиновые основания (производные пиримидина) – урацил, тимин, цитозин. Для оснований, содержащих группу –ОН, характерно наличие структурных изомеров за счет переноса протона от кислорода к азоту и наоборот. Подобное динамическое равновесие называют "таутомерией". Данный случай относят к лактим-лактамной таутомерии.

пиримидин

Пуриновые основания (производные пурина), входящие в состав нуклеиновых кислот – аденин, гуанин.

пурин

Гуанин существует в виде двух структурных изомеров:

Моносахарид – рибоза, или 2′-дезоксирибоза. Содержат 5 углеродных атомов – пентозы. В зависимости от вида пентозы, присутствующей в нуклеотиде, различают два вида НК – рибонуклеиновые кислоты (РНК), которые содержат рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие дизоксирибозу. В состав НК они входят в циклических формах:

Остаток фосфорной кислоты. НК являются кислотами потому, что в их молекулах содержится фосфорная кислота.

В состав нуклеозида входят два компонента: моносахарид (рибоза или дезоксирибоза) и азотистое основание. Нуклеотид – фосфорный эфир нуклеозида (+ остаток фосфорной кислоты).

У рибонуклеотидов остаток фосфорной кислоты может находиться в положениях 2′, 3′, 5′. У дезоксирибонуклеотидов только 3′ и 5′.

НОМЕНКЛАТУРА НУКЛЕОТИДОВ

Азотистое основание	Нуклеозид	Нуклеотид
аденин	аденозин	Аденозинмонофосфат (АМФ)
гуанин	гуанозин	Гуанозинмонофосфат (ГМФ)
урацил	уридин	уридинмонофосфат (УМФ)
тимин	тимидин	тимидинмонофосфат (ТМФ)
цитозин	цитидин	цитидинмонофосфат (ЦМФ)

Природные нуклеотиды. Помимо нуклеотидмонофосфатов в организме встречаются нуклеотиддифосфаты и нуклеотидтрифосфаты. В их молекулах остатки фосфорной кислоты соединены ангидридной связью, которая обладает большим запасом потенциальной энергии. Такая связь называется – макроэргическая. Эти молекулы являются исходными субстратами для синтеза РНК и ДНК.

Функции нуклеотидов. 1. Структурная. Из мононуклеотидов построены НК, некоторые коферменты. 2. Энергетическая. Содержат макроэргические связи – являются аккумуляторами энергии. АТФ – это универсальный аккумулятор энергии, энергия УТФ используется для синтеза гликогена, ЦТФ – для синтеза липидов, ГТФ – для движения рибосом в ходе трансляции (биосинтез белка).

Первичная структура ДНК – последовательность чередования дезоксирибонуклеотидов в полинуклеотидной цепи. Нуклеотиды связаны 3’,5’-диэфирными связями между дезокирибозами соседних нуклеотидов через остаток фосфорной кислоты.

Исследуя нуклеотидный состав нативных ДНК различного происхождения, Чаргафф обнаружил следующие закономерности.

Правила Чаргаффа.

1. Молярное соотношение аденина к тимину равно 1 (А=Т, или А/Т=1),

2. Молярное соотношение гуанина к цитозину равно 1 (G=C, или G/C =1),

3. Сумма пуриновых нуклеотидов равна сумме пиримидиновых,

4. В ДНК из разных источников отношение G+C/А+Т (коэффициент специфичности) неодинаково.

Если в ДНК преобладает суммарное количество аденина и тимина - АТ-тип ДНК (позвоночные и непозвоночные животные, растения). Если преобладает суммарное количество гуанина и цитозина – ГЦ – тип ДНК (большинство микроорганизмов).

Вторичная структура ДНК – это двуцепочечная правозакрученная спираль из антипаралельных нитей. Особенности: 1. Между А и Т образуются две водородные связи, между Г и Ц – три. Эти основания называются комплементарные. 2. Пары комплементарных оснований одинаковы по размеру и форме.

Строение спирали: сахарофосфатные остовы образуют правозакрученную спираль диаметром 0.2 нм. В спирали существуют 2 бороздки – большая и малая. На каждый виток спирали приходится 10 пар азотистых оснований. Снаружи сахарафосфатный остов, внутри – азотистые основания, соединенные водородными связями. При этом плоскости оснований расположены перпендикулярно остову. Плоскости углеводных остатков несколько отклоняются от этой оси (почти параллельны). Вся структура стабилизирована гидрофобными взаимодействиями между плоскостями азотистых оснований.

Спирали антипаралелльны: это означает, что если мы будем двигаться вдоль длинной оси спирали от одного ее конца к другому, то в одной цепи мы будем проходить фосфодиэфирные связи в направлении 3'à5', а в другой — в направлении 5'à3'. Иными словами, на каждом из концов линейной молекулы ДНК расположены 5'-конец одной и 3'-конец другой цепи.

Третичная структура ДНК. Упаковка двухспиральной молекулы в сложную трехмерную структуру путем суперспирализации. Для чего? ДНК E.coli имеет длину 1 мм, длина клетки – 5 мкм.

Третичная структура прокариот – это суперспирализованная структура, эукариот – суперспирализованная структура в комплексе с белками хромосом - гистонами.

Уровни организации хромосомы: 1. Нуклеосомный. Нуклеосома – структура из ДНК и белков гистонов. Гистоны – простые белки, 14-20 кDa, имеют щелочной характер (лизин, аргинин) → взаимодействуют с НК. 5 типов (Н1,). Гистоны образуют попарно октамеры (Н2, Н3, Н4, Н5), которые оплетаются нитью ДНК. В результате двойная спираль укорачивается примерно в 7 раз и утолщается в 5 раз (с 2 нм до 10-11 нм). 2. Хроматиновый – из нуклеосомной нити образуется хроматиновая фибрилла диаметром 20-30 нм, нить ДНК укорачивается еще в 6-7 раз. 3. Укладка хроматиновой фибриллы в петли с участием негистоновых белков. Одна петля содержит 20000-80000 пар нуклеотидов → размеры ДНК уменьшаются в 200 раз. Такая укладка называется интерфазная хромонема.

Физико-химические свойства. Денатурация происходит при 80 ^оС, изменениях рН, действии мочевины. Разрушается пространственная структура, двойная спираль распадается на цепи.

Функции ДНК. Хранение генетической информации. ДНК служит матрицей для репликации (копирование себя в дочерних молекулах) и транскрипции (перекодирование информации в структуру РНК).