Учебное пособие: Белки и нуклеиновые кислоты
Главная функция
нуклеотидов в клетке состоит в том, что они являются составными частями
нуклеиновых кислот.
Все нуклеозиддифосфаты и
нуклеозидтрифосфаты содержат высокоэнергетические связи (обозначены значком «»»). При гидролизе этой связи
освобождается от 30 до 50 кДж/моль энергии, в то время как при гидролизе
обычной сложноэфирной фосфатной связи освобождается энергия равная 8-12
кДж/моль.
Под влиянием
соответствующих ферментов фосфатные группы содержащие высокоэнергетические
связи, могут быть перенесены на другие вещества. Таким образом энергия,
накопившаяся в высокоэнергетических соединениях, может быть использована далее
в обмене веществ. Например: АДФ и АТФ принимают участие в биосинтезе белка.
Уридинтрифосфат (UТФ) и
уридиндифосфат (UДФ) необходимы
для действия ферментов, катализирующих превращения и синтез сахаров (СДФ и СТФ)
цитидиндифосфат и цитидинтрифосфат принимают участие в биосинтезе фосфолипидов.
Циклические нуклеотиды
были выделены в 1959г. Сазерлендом ( лауреат Нобелевской премии 1971г.) при
изучении механизма действия некоторых гормонов при регулировании метаболизма
углеводов. В циклических нуклеотидах фосфорная кислота связывает два атома
кислорода пентозного остатка в одном и том же нуклеотиде. Известны три
циклических нуклеотида – циклический аденозинмонофосфат (с АМФ), циклический
гуанозинмонофосфат (с GМФ) и
циклический цитозинмонофосфат ( с СМФ).
Эти
нуклеотиды образуются из соответствующих нуклеозидтри-фосфатов под действием
ферментов аденилатциклазы и гуанилатциклазы. В биологических процессах они
выступают в качестве промежуточного посредственника регуляторного действия
гормонов.
аденозин-3/,5/-цикломонофосфат гуанозин-3/,5/-цикломонофосфат
(3/,5/-
сАМФ) (3/,5/-сGМФ)
Фосфатные
остатки могут образовывать друг с другом кислотные ангидриды. Поэтому у
нуклеотидов имеется возможность связываться друг с другом через фосфатные
остатки. При этом возникают динуклеотиды с фосфоангидридной структурой.
К этой группе относятся
некоторые кофакторы ферментов – НАД+ и НАДФ+ (
никотинамидадениндинуклеотид ), ФАД ( флавинадениндинуклео-тидфосфат) и т. д.
НАД+
Нуклеиновые кислоты это
полимеры, состоящие из нуклеозидмонофосфатов, соединенных фосфодиэфирными
связями. Поскольку фосфатная группа участвует в образовании двух эфирных связей
с участием 3/-и 5/-углеродных атомов сахарных остатков
двух соседних нуклеотидов эту связь называют 3/- и 5/-фосфодиэфирной
связью.
Ниже изображены короткие
структурные фрагменты цепей РНК и ДНК, позволяющие представить соединение
отдельных нуклеотидов в цепи.
Рис. фрагмент РНК фрагмент
ДНК
У полинуклеотида имеется
5/-конец со свободной фосфатной группой и 3/-конец со
свободной ОН-группой. Фосфатные группы в этих цепях обладают сильнокислотными
свойствами. При рН~7
фосфатная группа ионизирована полностью, поэтому в естественных условиях нуклеиновые
кислоты существуют в виде полианинов (несут множество отрицательных зарядов).
Нуклеиновые кислоты
отличаются друг от друга числом мононуклеотидных остатков в молекуле,
нуклеотидным составом и порядком чередования нуклеитидных остатков, фактически
оснований, поскольку пентозофосфатные части у всех мономеров одинаковы. Для
краткого изображения первичной структуры нуклеиновых кислот пользуются
однобуквенными символами нуклеозидов.
Поэтому первичная
структура фрагмента РНК может быть представлена такой записью UAГААСС×××××××× Запись структуры ДНК отличается приставкой « g» ( дезокси-);
g (ТСАГТГ –)-эти две записи, помимо
символа «g» различаются еще тем, что в первой
(РНК) не встречается символ Т ( тимин), а во второй (ДНК) не встречается символ
U (урацил).
Таким образом,
полинуклеотид записывается как последовательный набор конкретных нуклеотидных
остатков от 5/-конца к 3/-концу.
Нуклеотидный
состав ДНК (независимо от источников ее выделения) имеет общие закономерности,
которые известны как правила Чаргаффа (по имени ученого, сформулировавшего эти
правила).
1. Число пуриновых
оснований (А+G) равно числу пиримидиновых оснований
( Т+С), т. е. отношение пуринов к пиримидинам равно единице.
2. Число остатков аденина
равно числу остатков тимина, т.е. отношение аденина к тимину равно единице (А/Т
= 1,0)
Эти количественные
соотношения были подтверждены исследованиями других ученых и стали важной
предпосылкой при установлении трехмерной структуры ДНК и помогли понять каким
образом генетическая информация кодируется в ДНК и передается от одного
поколения к другому.
Базируясь на данных
рентгеноструктурного анализа и правилах Чаргаффа Дж. Уотсон и Ф. Крик в 1953г.
предложили следующую модель строения ДНК. Согласно этой модели, молекула ДНК
состоит из двух полинуклеотидных антипараллельных цепей (5/®3/)(3/®5/) спирально
право-закрученных одна относительно другой таким образом, что углеводнофосфатная
цепь находится снаружи, а пуриновые и пиримидиновые основания внутри
перпендикулярно центральной оси схема ДНК. Эти две цепи соединяются между собой
водородными связями, возникающими между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями
отдельных нуклеотидов, образуя специфические пары.
Тимин связан тремя
водородными связями с аденином ТºА, цитозин двумя водородными связями с гуанином G = С. Эти пары оснований называются комплементарными парами
оснований. Благодаря этому нуклеотидная последовательность одной цепи полностью
комплементарна последовательности другой.
Парные основания могут
охватывать миллионы оснований в ДНК. Это возможно только тогда, когда
полярность обоих нитей различна, т.е, когда нити имеют различное направление
(различную ориентацию). Кроме того, обе нити должны быть скручены друг вокруг
друга в виде двойной спирали. РНК не может образовывать из-за стерических
помех, благодаря 2/ - ОН групп рибозных остатков, подобную двойную
спираль. Поэтому в РНК попарное соединение азотистых оснований находят только в
пределах коротких участков одной и той же нити, и структура в целом менее
регулярна, чем для ДНК.
Рисунок 4 – Схема образования водородных связей между
комплементарными азотистыми основаниями
Рисунок 5 – Схематическое
изображение двойной спирали ДНК
Водородные связи между
парами оснований – не единственный вид взаимодействий, стабилизирующих
двухцепочечную структуру. Молекула ДНК – полианион, и на ее поверхности
локализовано множество отрицательных зарядов, что обеспечивает стабилизацию
путем электростатических взаимодействий с неорганическими противоионами,
например с Mg+2,или белками, содержащими большое
количество положительно заряженных боковых цепей аминокислот – гистонами.
Третий стабилизирующий фактор возникает благодаря гидрофобным взаимодействиям
между азотистыми основаниями, которые уложены стопкой внутри спирали. Между
нитями по всей длине ДНК лежат углубления – маленькая и большая бороздки.
Так как обе нити
удерживаются вместе благодаря нековалентным взаимодействиям, то двойную спираль
можно разделить нагреванием (денатурацией) на одиночные нити (рисунок 5). При
медленном охлаждении структура двойной спирали снова восстанавливается.
Денатурация ДНК играет важную роль в генной инженерии. В зависимости от рН
среды, ионной силы раствора, концентрации воды и т.п. конфигурация двойной
спирали может меняться. Методами рентгеноструктурного анализа доказано существование
более десяти форм ДНК, которые различаются количеством пар оснований
приходящихся на один виток, углом наклона оснований к вертикальной оси.
Наиболее изучены А-, В-, С- и Т-формы ДНК. Предполагают, что каждая форма ДНК
приспособлена для выполнения определенной биологической функции. А-форма ДНК с
передачей информации от ДНК к РНК, В-форма – с биосинтезом ДНК и С-форма с
хранением, упаковкой ДНК.
Рисунок 6 – разделение
двойной спирали ДНК на одиночные нити
В последние годы появились
данные о возможности существования левозакрученной биспиральной молекулы ДНК-Z-формы и SBS формы ДНК, у которой полидезоксирибонуклеотидные цепи
располагаются бок о бок (лесенкой, без закручивания). Такая форма ДНК
обеспечивает легкое распаривание и расхождение цепей ДНК, что очень важно при
биосинтезе ДНК.
ДНК обладает
специфической третичной структурой. Двухцепочечная спираль ДНК на отдльных
участках может подвергаться дальнейшей укладке в суперспираль. Может
приобретать кольцевую форму, или свертываться в клубок. Суперскрученная
структура обеспечивает экономную упаковку огромной молекулы ДНК в хромосоме.
Суперспирали соединяются с белками (гистонами), упакованными в бороздах,
обеспечивая тем самым стабильность третичной структуры ДНК.
В клетках любых
биологических объектов содержаться три основных вида РНК: рибосомальная
РНК(рРНК), транспортная РНК(тРНК) и информационная или матричная РНК(мРНК). Они
являются одноцепочечными молекулами различной длины, различаются по
локализации, свойствам, строении., функциям. В большинстве клеток содержание
РНК в 5-10 раз превышает содержание ДНК. Основная часть РНК клетки–70-80%
приходится на долю рРНК, которая содержится в рибосомах-внутриклеточных
частицах, принимающих участие в биосинтезе белка рРНК образует каркас, к
которому прикрепляются белки, образуя плотноупакованный рибонуклеопротеин.
Нуклеотидный состав рРНК из разных источников сходен.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 |
