Химическое строение нуклеиновых кислот

Все многообразие живых организмов состоит из клеток. Клетка – это структурная и функциональная единица всего живого.

Важнейший структурный компонент клетки – ядро. От цитоплазмы его отделяет ядерная оболочка, состоящая из двух мембран, между которыми располагается узкая полость, заполненная полужидким веществом. Через поры ядерной оболочки осуществляется обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Полость ядра заполнена ядерным соком. В нем находятся ядрышко (одно или несколько), хромосомы, ДНК, РНК, белки, липиды, углеводы. В клетке синтезируются белки.

Определяют синтез белка, хранят и передают наследственную информацию нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты – это высокомолекулярные органические соединения, имеющие первостепенное биологическое значение. Впервые они были обнаружены в ядре (в конце XIX века), отсюда и получили название («нуклеус» - ядро).

Существует два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Основное место нахождения ДНК – ядро клетки. ДНК обнаружена также в некоторых органоидах (пластиды, митохондрии, центриоли). РНК встречается в ядрышках, в рибосомах и цитоплазме клеток.

Молекула ДНК имеет сложное строение. Она состоит из двух спирально закрученных нитей. Её мономерами служат нуклеотиды. Каждый нуклеотид – химическое соединение, состоящее из трёх веществ: азотистого основания, пятиатомного сахара дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты (рис. 1.1).

 

 

Рис.1.1. Химическое строение нуклеотида молекулы ДНК

Фосфорная кислота и углевод (дезоксирибоза) у всех нуклеотидов одинаковы, а азотистые основания бывают четырёх типов: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Они и определяют название соответствующих нуклеотидов: адениловый (А), гуаниловый (Г), тимидиловый (Т) и цитидиловый (Ц) (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Типы азотистых оснований молекулы ДНК

 

Молекула ДНК состоит из двух цепочек, подобных друг другу, закрученных в спираль. Каждая из цепочек представлена, в свою очередь, четырьмя чередующимися элементами – нуклеотидами.

Среднее количество нуклеотидов в цепи ДНК около 10 тысяч. Средняя молекулярная масса ДНК – 10 миллионов. Если вытянуть в одну нить все ДНК из одной клетки человека, то её длина составит до 3м 60 см. Таким образом, молекула ДНК оказалась крупнейшей из молекул известных полимеров.

Азотистые основания в молекуле ДНК соединены между собой неодинаковым количеством водородных связей. Аденин – тимин образуют две водородные связи, гуанин – цитозин соединяются тремя водородными связями.

Способность к избирательному взаимодействию аденина с тимином, а гуанина с цитозином, основанная на особенностях расположения в пространстве атомов этих молекул, называется комплементарностью (дополнительностью). Это объясняется тем, что А и Т и Г и Ц строго соответствуют друг другу, дополняют друг друга, отсюда и название комплементарность (от греч. «комплемент» - дополнение).

Различные комбинации трёх смежных нуклеотидов, которые образуют триплеты, называемые кодонами.

Предположение о том, что плоскости азотистых оснований перпендикулярны оси ДНК, высказанное в 1938 году, было подтверждено в 1947 году исследованиями в Кембридже, при помощи рентгеноструктурного анализа. Выяснилось, также, что столбики нуклеотидов расположены один над другим, а основания упакованы внутри них.

В 1947 году генетика обогатилась ещё одним немаловажным открытием: выяснилось, что азотистые основания в ДНК соединены друг с другом очень слабыми водородными связями. И тут же последовала ещё одна весть. Э. Чаргафф из Колумбийского университета сообщил о любопытной закономерности: как бы ни отличались разные формы ДНК по чередованию оснований, количество аденина всегда равно количеству тимина (А=Т), а количество цитозина – количеству гуанина (Ц=Г), причём сумма аденина и цитозина равна сумме тимина и гуанина.

Для лучшего запоминания эту закономерность можно изобразить так:

А=Т

Ц=Г

А+Ц=Т+Г

Одно из замечательных открытий века – разгадка структуры ДНК – было сделано в 1953 году в Англии тремя совместно работавшими учёными: Френсисом Криком, Джеймсом Уотсоном и Маршалом Уилкинзом. В 1962 году их работа была увенчана высшей научной наградой – Нобелевской премией.

ДНК состоит из двух нитей, или «цепей», спирально закрученных вокруг общей, пусть и несуществующей оси. Обе цепи связаны своими основаниями (рис.1.3).

 

Рис.1.3. Химическое строение молекулы ДНК

 

Основание одной цепи соединено водородными связями с основанием второй цепи, а все основания парами, как перекладины лестницы, расположены вдоль всей молекулы. Причём, длинные пуриновые основания (А и Т) всегда соединены с короткими пиримидиновыми (Ц и Г) – иначе «перекладины лестницы» были бы неодинаковы. Основания ДНК строго комплементарны (содополняют друг друга) и объединены в «неразлучные пары» - аденин с тимином, а цитозин с гуанином (А – Т; Ц - Г). Эти парные основания получили известность под названием комплементарных, а нити ДНК – комплементарных нитей.

Чисто умозрительно Ф. Крик с Дж. Уотсоном предположили, что ДНК самоудваивается благодаря разрыву слабых водородных связей, отходу друг от друга одноцепочных нитей, и достраивают каждую цепочку своей новой половины из плавающих в клетке свободных нуклеотидов. К каждому открытому азотистому основанию в цепи ДНК присоединяется его пара: к аденину – тимин, к цитозину – гуанин. Таким путём две разделившиеся исходные нити превращаются в две новые молекулы ДНК, идентичные исходной. Происходит, как говорят генетики, репликация – самокопирование. Гипотетическая картина репликации ДНК, подсказанная биохимиками Ф.Криком и Дж.Уотсоном, была подтверждена в 1957 году экспериментом американского учёного А. Корнберга. Им было установлено, что репликация – процесс ферментативного синтеза одной цепи ДНК на матрице другой цепи ДНК. При репликации двойная спираль ДНК постепенно раскручивается (расплетается) с одного конца и по мере освобождения её цепей на каждой из них достаивается новая цепь (рис. 1.4).

 

Рис. 1.4. Молекула ДНК и её репликация

 

Гипотеза Крика-Уотсона о механизме воспроизведения молекулы ДНК окончательно была утверждена в ранге теории.

Выяснение замечательной способности молекул ДНК к воспроизведению имело огромное значение для дальнейшего развития молекулярной генетики, так как позволило понять роль молекул ДНК в передаче наследственной информации.

Рибонуклеиновая кислота – РНК – полимер, по структуре сходный с одной цепочкой ДНК, но значительно меньших размеров. Мономерами РНК являются нуклеотиды, состоящие из фосфорной кислоты, углевода (рибозы) и азотистого основания. Три азотистных основания РНК – аденин, гуанин и цитозин – соответствуют таковым ДНК, а вместо тимина в РНК присутствует урацил. Образование биополимера РНК происходит через ковалентные связи между рибозой и фосфорной кислотой соседних нуклеотидов.

Известны три вида РНК: информационная РНК (и-РНК) передаёт информацию о структуре белка с молекулы ДНК, транспортная РНК (т-РНК) транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка и рибосомная РНК (р-РНК) – содержится в рибосомах, участвует в поддержании структуры рибосомы.

Этапы биосинтеза белка

Белки – основные и наиболее сложные вещества клетки. Молекулярная масса белков составляет от десятков тысяч до многих сотен тысяч условных единиц. Молекула белка представляет собой цепь из нескольких десятков или сотен аминокислот, поэтому она имеет огромные размеры и называется макромолекулой (гетерополимером).

Белки состоят из 20 аминокислот: аланин, глицин, глютаминовая кислота, гистидин, глютамин, лизин, треонин, тирозин, триптофан, аспарагин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, аргинин, фенилаланин, аспаргиновая кислота, серин, пролин и цистеин. Каждая молекула белка представляет собой цепь чередующихся в определенном порядке вышеперечисленных аминокислот, число которых может достигать шести – семи сотен. Объединяясь в различной последовательности, аминокислоты образуют большое разнообразие белков – до 1000. Роль белков огромна в жизни клетки: строительный материал организма, катализаторы – белки – ферменты. Все биокатализаторы называются ферментами или энзимами. Это вещества белковой природы. Ферменты ускоряют химические реакции в клетке в десятки сотни миллионов раз. Полипептидные гормоны синтезируются обычным для белков путем:

ген→м-РНК→белок. К ним относятся гонадотропный гормон, тиреотропный гормон, гормон роста (соматомедин), пролактин, инсулин, глюкагон, эритропоэтин.

Из 20 аминокислот для синтеза белков не все одинаково нужны. При недостаточном поступлении одних аминокислот белки могут быть частично синтезированы из других. Это так называемые заменимые аминокислоты. Однако девять аминокислот из 20 должны поступить в организм обязательно, так как они не способны синтезироваться из других аминокислот. Это незаменимые аминокислоты. Среди последних наиболее часто используются лизин, метионин и триптофан. Они получили название критических.

Одна из важнейших форм пластического обмена – биосинтез белка.

Биосинтез белка – цепь синтетических реакций, протекающих по принципу матричного синтеза, то есть в точном соответствии с планом, заложенным в ДНК.

В синтезе белка принимают участие:

· ДНК – хранит и передаёт информацию о структуре молекулы

белка (последовательность аминокислот);

· и-РНК – кодирует наследственную информацию с участка

молекулы ДНК – гена и переносит её к месту сборки

белковой молекулы;

· т-РНК – присоединяет аминокислоты и переносит в рибосому.

· р-РНК – входит в состав рибосомы (структурная основа рибосомы)

· рибосомы – органеллы, в которых происходит биосинтез

белка, объединяются в полирибосомы;

· ферменты – биокатализаторы, участвуют в синтезе ДНК, РНК,

в образовании первичной структуры молекулы белка;

· АТФ – энергия АТФ расходуется при синтезе ДНК, при переносе

РНК, аминокислот в процессе построения молекулы белка;

· аминокислоты – мономеры белка;

ЭПС (эндоплазматическая сеть)- на гранулярной ЭПС, несущей рибосомы, осуществляется синтез молекулы белка. Внутри каналов ЭПС формируется вторичная и четвертичная структуры молекул белка.