Лекция на тему: "Нуклеиновые кислоты"

План: Нуклеиновые кислоты 1. Общие  сведения о НК. 2. НК­ непериодические биополимеры. 3. Строение мономеров НК. 4. Принцип комплементарности. 5. Свойства ДНК: репликация и репарация. Функции ДНК. 6. Виды РНК. 7. Сравнение ДНК, РНК, АТФ. Нуклеиновые   кислоты   были   впервые   обнаружены   швейцарским   биохимиком Фридрихом  Мишером в 1869году  в ядрах клеток содержащихся  в гное.  Нуклеиновые   кислоты   ­   природные     высокомолекулярные   органические соединения, обеспечивающие   хранение и передачу  наследственной  (генетической) информации в живых организмах. В   природе   известно     два   вида   нуклеиновых   кислот,   различающихся   по   составу, строению и функциям.                          Виды нуклеиновых кислот Дезоксирибонуклеиновая  кислота (ДНК) 1. Локализована     в     ядрах   клеток, 2. Содержание   митохондриях, хлоропластах. постоянно и составляет  6,6∙10­12г в диплоидных соматических клетках позвоночных, в половых  3,3∙10­12г.   две   спирально     3. ДНК   имеет   закрученные  цепи . 4. Молекула   ДНК   ­   полимер,   тысячи   или ­ состоящая   из   миллионов мономеров дезоксирибонуклеотидов.     Рибонуклеиновая   кислота  (РНК) 1. Локализована в цитоплазме клеток, а также в зависимости от вида   РНК в различных других участках клетки. 2. Содержание   РНК   в   клетке   не постоянно. 3. РНК имеет  одну цепь. 4.   РНК   –   полимер,   но   молекула   РНК значительно короче  молекулы  ДНК.  мономеров     5. Состоит из ­рибонуклеотидов. Постоянные     величины   ДНК: диаметр   спирали   ­  2нм;  длина   шага спирали  –  3,4  нм;   ширина   нуклеотида   – 0,34 нм;   молекулярный   вес   –   десятки   и сотни миллионов  d   (дальтон).  В каждый виток входит 10 пар нуклеотидов. Определение   размеров   молекул ДНК стало возможно только после разработки специальных методов:    электронной микроскопии; ультрацентрифугирования; электрофореза 1 Мономерами   нуклеиновых   кислот   являются     нуклеотиды,   состоящие   из   азотистого основания, сахара – пентозы и остатка фосфорной кислоты. Строение нуклеотида ДНК Азотистые основания   4­х  типов:  А­ аденин, Г­ гуанин,  Т­ тимин, Ц­ цитозин. По азотистым основаниям называют  нуклеотиды:    А ­ адениловый нуклеотид, Г ­ гуаниловый,  Т ­ тимидиловый нуклеотид, Ц ­ цитидиловый нуклеотид.  Азотистые основания  бывают 2­х типов : Пуриновые   основания  ­   это   А   и   Г,   их   молекулы   имеют     двойное   углеродно­азотное кольцо: АДЕНИН ГУАНИН Пиримидиновые основания –  это  Т, Ц, У (урацил)    ­  имеют одно углеродно­азотное кольцо: ТИМИН ЦИТОЗИН УРАЦИЛ Соединения   дезоксирибозы   с   азотистым   основанием   посредством   атома   азота, называют   нуклеозидами,   а   они   соединяясь   с   одной   молекулой     фосфорной   кислоты, образуют нуклеотиды. 2 Нуклеотидный состав ДНК впервые установил  американский биохимик Э.  Чаргафф, в 1951году он доказал, что в составе ДНК имеются 4 азотистых  основания:  А,Т,Г,Ц.   Правило Чаргаффа:  1. Число   пуриновых   оснований   в   ДНК     равно   числу   пиримидиновых:  (   А+Г)= (Т+Ц );        2. Количество     аденина     равно количеству тимина, а количество гуанина   равно количеству цитозина: А = Т, Г   Ц≡  (2 Н ­ связи, 3 Н – связи). Причиной   равенства пуриновых и пиримидиновых оснований     в   молекуле ДНК     является   принцип комплементарности  (от лат. «комплементум» означает  дополнение, соответствие). Причем,  это соответствие  двоякое:  1. Химическое, т. е. между азотистыми  основаниями  образуются  водородные  связи, а именно, между А и Т – двойная водородная связь, между Г и Ц – тройная водородная связь. 2. Геометрическое,   т.   е.   азотистые   основания   соответствуют     друг   другу,   как   две половинки разбитого  стекла. В   соответствии   с   принципом   комплементарности   А   в   комплементарен  Т, а   Г  ­  Ц.   молекуле   ДНК     всегда В 1953году американский  биохимик Джеймс   Уотсон и   английский  физик   Френсис  Крик  разработали модель пространственной структуры ДНК.  В  молекуле ДНК цепи соединяются друг   с другом водородными   связями. Эти связи возникают между азотистыми основаниями  нуклеотидов  параллельно расположенных цепей. Соединяются нуклеотиды между собой по принципу комплементарности.  3 Рис.1. ДНК (схематическое изображение развернутых цепей) Цифрами обозначен принцип антипараллельности. Один конец несет ОН­  ­ группу, присоединенную к 3' – углероду в сахаре дезоксирибозе, на другом конце цепи находится остаток   Н3РО4  в   5'   –   положении   сахара.   Две   комплементарные   цепи   в   молекуле   ДНК располагаются в противоположных направлениях – антипараллельны. Рис.2. Схема ДНК 4 Рис.3. Строение динуклеотида                       Данные  рентгеноструктурного анализа  показали,  что  молекула ДНК, состоящая из двух  цепей, образует спираль,  закрученную  вокруг собственной оси.  Форма  спирали молекулы   ДНК     очень  выгодна   в   тесноте   микромира,   так     например,   ДНК  некоторых растений может достигать 40 метров, но благодаря,   плотному закручиванию   двойной спирали,     где   отдельные   витки   её   сцепляются   как   зубцы   молнии,   ДНК   размещается   в микроскопическом ядре клетки. Чаще всего   двойные спирали ДНК являются правозакрученными – при движении вверх   вдоль   оси   спирали     цепи   поворачиваются   вправо.   Большинство   молекул   ДНК   в растворе  находится в правозакрученной – В­форме (В­ДНК).   Однако встречаются также левозакрученные  формы  (Z­ДНК). Какое количество  этой ДНК   присутствует в клетках и каково  её биологическое значение, пока не установлено. Таким образом, в структурной организации  молекулы ДНК  можно выделить первичную   структуру   –   полинуклеотидную   цепь,   вторичную   структуру   –   две комплиментарные   друг   другу     и   антипараллельные     полинуклеотидные   цепи, соединенные водородными связями,  и третичную структуру ­ трехмерную спираль  с приведенными выше пространственными характеристиками. На   основании   своей   модели   Дж.   Уотсон   и   Ф.   Крик     предположили,   что     гены отличаются друг от друга чередованием пар нуклеотидов и наследственная  информация закодирована в виде последовательности нуклеотидов. В спирали ДНК  может происходить изменение в чередовании  нуклеотидов (мутации), в структуре  ДНК заложена возможность так   называемой     конвариантной       редупликации,   т.   е.   способность   живых   организмов воспроизводить себе подобных. Свойства ДНК: репликация и репарация Репликация ДНК (редупликация) Репликация – это процесс самоудвоения молекулы ДНК. В процессе репликации   материнской   молекулы   ДНК   синтезируется на   каждой   полинуклеотидной   цепи   комплементарная   ей   цепь.   В   итоге   из   одной     двойной   спирали   ДНК   образуются     две идентичные   двойные   спирали.   Такой   способ   удвоения   молекул,   при   котором     каждая 5 дочерняя   молекула   содержит   одну   материнскую     и   одну   вновь   синтезированную   цепь, называют полуконсервативной. Для репликации, цепи ДНК  должны отделиться друг от друга, чтобы стать матрицами на которых будут синтезироваться дочерние цепи. С помощью  фермента геликазы двойная спираль ДНК в отдельных зонах расплетается, и на  материнских цепях – матрицах  идет процесс синтеза   дочерних цепей по принципу комплементарности с помощью фермента ДНК­полимеразы,   который   может   передвигаться   только   в   одном   направлении   –   от3'   – конца к 5' ­ концу. Но   раскручивание   спиралей,   состоящих   из   многих   миллионов   пар   нуклеотидов, сопряжено   со   столь   значительным   количеством   вращений   и   такими   энергетическими затратами,   которые   невозможны   в   условиях   клетки.   Поэтому   репликация   у   эукариот начинается одновременно в нескольких местах молекулы ДНК.  Участок между двумя точками, в которых начинается репликация, называется репликоном. Он является единицей репликации. Рис.4. Репликация эукариотической ДНК В   молекуле   ДНК   имеется   много   репликонов.   В   каждом   репликоне   можно   видеть репликативную «вилку» ­ часть молекулы ДНК, которая под действием ферментов расплелась. Каждая нить служит матрицей для синтеза комплементарной дочерней цепи. Репликативная   «вилка»   передвигается   вдоль   материнской   молекулы.   Так   как   ДНК­ полимеразы   могут   двигаться   только   в   одном   направлении,   а   нити   ориентированы антипараллельно, то в каждой вилке синтез на одной цепи ДНК идет непрерывно, а на другой – в виде коротких фрагментов. Эти фрагменты сшиваются друг с другом, образуя растущие   дочерние   цепи.   Такой   механизм   синтеза   новых   цепей   ДНК   фрагментами называется прерывистым. Рис. 5. Репликация ДНК:  1 — ДНК­геликаза; 2 — ДНК­ топоизомераза; 3 — РНК­праймаза; 4 —  дестабилизирующие белки; 5 — ДНК­ полимераза образует ДНК, удлиняет  фрагменты Оказаки, удаляет  рибонуклеотиды; 6 — ДНК­лигаза сшивает  фрагменты Оказаки 6 Основные ферменты, участвующие в репликации ДНК, и их роль: ДНК­геликаза — расплетает спираль; ДНК­топоизомераза — раскручивает спираль; ДНК­полимераза  —   осуществляет   синтез   дочерней   цепи;  ДНК­лигаза  —   «сшивает» фрагменты Оказаки.    Матрица  ­  форма.   Матричные   процессы   впервые   были  изучены  физиками  (отливка монет,   книгопечатание,   отливка   скульптур,   ксерокопирование).   Репликация   ­   процесс матричного синтеза. Схема репликации ДНК Репарация   (самовоспроизведение)  –   способность   молекулы   ДНК   «исправлять»   то   есть   восстановление   правильной возникающие   в   ее   цепях   изменения, последовательности нуклеотидов. 1. Хранение наследственной информации о структуре специфических для организма Функции ДНК 2. Передача наследственной информации дочерним клеткам. 3. Участие   в   реализации   генетической   информации,   т.е.   в   процессе   синтеза белков. полипептидов. Виды  РНК тРНК транспортная РНК На долю тРНК  приходится 10%  от всех РНК в  клетке.  Существует более  40 видов. Имеют  самые короткие  молекулы от 80­ 100 нуклеотидов,  молекулярная  иРНК информационная (матричная) РНК На долю иРНК  приходится  5% от общего   содержания  РНК в клетке.  Снимают  копию с  молекулы  ДНК и  переносят её в рРНК рибосомная РНК Это самые крупные  молекулы РНК, в их  состав входит 3­5  тысяч нуклеотидов,  молекулярная масса  достигает 1,0­1,5  млн. дальтон. рРНК  составляют  существенную часть  рибосомы, на их  мяРНК малая ядерная РНК Малые ядерные  РНК  выполняют  роль ферментов  сплайсинга  (ферменты  сшивания). 7 масса 25­30 тыс.  дальтон.  Переносят  аминокислоты к  месту синтеза  белка,  Содержатся в  цитоплазме.  долю приходится  90% в клетке. цитоплазму,  где становится матрицей для  синтеза белка.  Содержатся в  ядре,  цитоплазме,  митохондриях, пластидах.  Молекулы  иРНК  содержат от  100 до 10 000  нуклеотидов. Иногда   РНК   называют     по   месту   их   нахождения:   ядерные,   цитоплазматические, митохондриальные, РНК пластид.  В природе есть еще один вид РНК – вирусная РНК. У РНК – содержащих вирусов обнаружена двухцепочечная РНК, структура которой близка к структуре ДНК. У этих организмов   РНК,   как   двух­,   так   и   одноцепочечная,   выполняет   функцию   хранения генетической информации. Сравнительная характеристика ДНК, РНК  и АТФ. План сравнения           ДНК дезоксирибонуклеиновая                РНК рибонуклеиновая             АТФ аденозинтрифосфорна Местонахождени е в клетке кислота Ядро, митохондрии,  хлоропласты.  Цитоплазма у  прокариот Местонахождени Хромосомы е в ядре Строение макромолекулы Мономеры Состав нуклеотида Типы нуклеотидов кислота Ядро, рибосомы,  цитоплазма,  митохондрии,  хлоропласты Ядрышко  ядрышковых  хромосом Одинарная  полинуклеотидная  цепочка я кислота Митохондрии,  хлоропласты,  цитоплазма Ядро  Макроэргическое  соединение.  Рибонуклеотиды Мононуклеотид Двойной неразветвленный  линейный полимер,  свернутый  правозакрученной  спиралью, связи ­  водородные Дезоксирибонуклеотиды Адениловый (А),  Гуаниловый (Г),  Адениловый (А),  Гуаниловый (Г),  Адениловый (А) 8 Углевод Количество остатков   Ф.К. Свойства Функции Химическая основа  хромосомного  генетического материала  (гена); синтез ДНК; синтез РНК; информация о  структуре белков иРНК – передает  код наследственной информации о  первичной  структуре белковой молекулы;  рРНК – входит в  состав рибосом; тРНК – переносит  аминокислоты к  рибосомам;  митохондриальная и пластидная –  входят в состав  рибосом этих  органелл    Тимидиловый (Т),  Цитидиловый (Ц) Уридиловый (У),  Цитидиловый (Ц) Дезоксирибоза Один Рибоза Один Рибоза Три  Способна к самоудвоению  по принципу  комплементарности.  Стабильна Не способна к  самоудвоению.  Лабильна.  (Генетическая РНК  вирусов способна к  редупликации) Молекула АТФ очень  неустойчива и способна  отщеплять одну или две  молекулы фосфата с  выделением большого  количества энергии,  расходуемой на  обеспечение всех  жизненных функций в  клетки Универсальный источник и основной аккумулятор  энергии в живых клетках 9