Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
Цели:
1. ознакомление с особенностями строения, химическими свойствами нуклеиновых кислот
2. готовностью использовать основные методы защиты от возможных последствий аварий, катастроф, стихийных бедствий (ОК-11) профиль подготовки: Физическая культура. Безопасность жизнедеятельности (очная и заочная форма обучения);
3. способностью использовать возможности образовательной среды для формирования универсальных видов учебной деятельности и обеспечения качества учебно-воспитательного процесса (ПК-5) профиль подготовки: Физическая культура. Безопасность жизнедеятельности (очная и заочная форма обучения).
Содержание: Химия нуклеиновых кислот. История открытия и изучения строения, структуры нуклеиновых кислот. Нуклеотиды - структурные мономеры полинуклеотидов. Нуклеозид-5-трифосфаты, циклические нуклеотиды, их функции. Строение и уровни организации нуклеиновых кислот. Первичная структура ДНК и РНК. Вторичная и третичная структуры нуклеиновых кислот. Вторичная структура ДНК, ее характеристика. Типы связей, стабилизирующих двойную спираль ДНК, комплементарность оснований. Денатурация и ренативация ДНК. Третичная структура ДНК. Структурная организация ДНК в хроматине. Вторичная и третичная структуры РНК, ее функциональные виды (м-РНК, т-РНК, р-РНК).
Нуклеиновые кислоты, их роль в переносе генетической информации. Хранение, воспроизведение и передача генетической информации. Роль ДНК в этих процессах. Репликация, ее механизм и биологическое значение. Идентичность ДНК разных клеток многоклеточного организма.
Биосинтез РНК (транскрипция). Механизм, биологическая роль, особенности процесса транскрипции у эукариот. Посттранскрипционная модификация пре-м-РНК. Рибозимы - новый тип биокатализаторов.
Биосинтез белка (трансляция). Общая последовательность стадий белкового синтеза. Необходимые компоненты трансляции. Биологический код и его свойства. Роль т-РНК в синтезе белков. Образование аминоацил-т-РНК. Кодон-антикодоновое взаимодействие. Роль м-РНК в биосинтезе белков. Строение и функциональный цикл рибосом. Посттрансляционная модификация белков.
Регуляция биосинтеза белков. Адаптивная регуляция экспрессии генов у про- и эукариот. Теория оперона. Функционирование оперонов, регулируемых по механизму индукции и репрессии. Роль энхансеров (усилителей) и сайленсеров (тушителей), амплификации (увеличение копий) и перестройки генов, процессинга, транспорта из ядра в цитоплазму и изменение стабильности м-РНК в регуляции синтеза белков у эукариот - основа онтогенеза и специализации органов и тканей многоклеточного организма. Изменение белкового состава клеток при дифференцировке. Нематричный синтез пептидов, его значение.
Молекулярные механизмы генетической изменчивости. Повреждения и репарация ДНК. Характеристика ферментов ДНК-репарирующего комплекса. Мутации, их виды, частота, зависимость от условий среды. Генотипическая гетерогенность - причина полиморфизма белков в популяции человека. Ксенобиотики как мутагены. Молекулярная патология. Понятие о ферментных и неферментных протеинопатиях.
При освоении темы необходимо:
ответить на контрольные вопросы: см. Фонд оценочных средств. Обратить внимание на взаимосвязь уровней структурной организации НК и их физико-химическими свойствами. Изучит термины.
Нуклеиновые кислоты как один из компонентов живой материи были открыты в 1869 году швейцарским ученым Иоганом Мишером. В образовании нуклеиновых кислот могут участвовать две группы нуклеотидов – рибонуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды. Первые образуют рибонуклеиновые кислоты (РНК), вторые – ДНК. Однако, в отличие от всех других полимеров, как природных, так и синтетических, созданных химиками, они построены из нескольких разнотипных мономеров – четырех в случае нуклеиновых кислот и 20 в случае белков. Важнейшей группой белков являются ферменты (по английской терминологии энзимы), которые катализируют в живых организмах разнообразные химические реакции. Функции белков чрезвычайно многообразны. При этом число остатков каждого мономера в полимерной цепи и порядок их расположения (последовательность мономеров) имеют глубокий биологический смысл. В этой статье речь будет идти в основном о биологическом смысле последовательностей нуклеотидов.
В отдельных случаях замена одной мономерной единицы в огромной последовательности приводит к серьезным биологическим последствиям. Известно, например, что повышенная чувствительность к алкоголю, характерная для многих представителей восточных народов, связана с заменой одной аминокислоты (лизина на глутамат) из 487 расположенных последовательно аминокислот в ферменте аль-дегиддегидрогеназе, ответственном за удаление из организма уксусного альдегида, который накапливается при окислении этилового спирта. В то же время в некоторых случаях большое число замен не лишает биополимер его главной функции.
Для каждого живого организма характерен свой набор белков с определенными последовательностями аминокислот и соответственно свой набор нуклеиновых кислот с определенными последовательностями нуклеотидов. Способность ДНК к самоудвоению обеспечивается ее строением. Она построена из четырех дезоксирибонуклеотидов, которые по первым буквам их химических названий будут в дальнейшем обозначаться латинскими буквами dA, dG, dC и dT (префикс “d” введен для того, чтобы отличить их от рибонуклеотидов, из которых построены молекулы другой группы нуклеиновых кислот – рибонуклеиновых, сокращенно РНК). Замечательным свойством этих нуклеотидов является то, что в составе полимерной цепи ДНК dА обладает способностью избирательно (селективно) связываться (образовывать комплекс) с d Т, а dG – с dС. Любая последовательность нуклеотидов имеет определенное направление, а, следовательно, вся полимерная цепь имеет два различных конца. В соответствии с деталями химического строения нуклеотидов один из концов обозначают как 5'-конец, а противоположный – как 3'-конец. В дальнейшем направление цепи либо будет указываться, либо просто будет подразумеваться, что слева находится 5'-конец. В соответствии со сказанным могут существовать протяженные последовательности, которые могут расположиться так, что против каждого нуклеотида одной окажется селективно взаимодействующий с ней другой нуклеотид. Такие последовательности называются комплементарными. При этом для такого взаимодействия направления цепей должны быть противоположными (антипараллельными). Примерами двух комплементарных последовательностей могут служить фрагменты ДНК (5')dAdTdGdGdCdTdA(3') и (3')dTdAdCdCdGdAdT(5').
Поскольку присоединение каждой следующей молекулы мономера представляет собой химическую реакцию, то и для образования новых цепей ДНК необходимо участие большого числа специальных белков (ферментов и других белков), которые образуют сложную структуру, называемую полимеризационным комплексом. Первоначально из этого комплекса был выделен фермент, названный ДНК-полимеразой, но затем, во-первых, нашли, что в любых клетках оперируют несколько типов ДНК-полимераз, а во-вторых, обнаружили, что вместе с полимеразами в полимеризационный (или репликационный) комплекс входит несколько десятков других белков, часть из которых будет описана ниже. ДНК-полимеразы относятся к категории наиболее сложных, так называемых матричных ферментов. Они не только способны катализировать реакцию роста новой цепи ДНК, но на каждом шаге выбирают из четырех мономеров тот, который комплементарен звену управляющей ДНК, как бы стоящему в очереди на подачу команды на синтез. Процесс синтеза комплементарной дочерней цепи ДНК на одной из родительских цепей называют репликацией. Термин “матричный” остался по наследству от первых наивных представлений, когда сборку новой копии ДНК представляли как печатание на бумаге текстов, набранных на типографских матрицах. На самом деле ДНК, управляющая синтезом новой, комплементарной ей цепи, протягивается через ДНК-полимеразный комплекс, и систему скорее следует уподобить магнитофону, который протягивает через себя магнитофонную ленту, превращая информацию, записанную на ленте, в целенаправленные действия, например звуковые сигналы. Резюмируя сказанное, еще раз подчеркнем, что, говоря о любой информации, в том числе биологической, мы подразумеваем, что имеется некоторый материальный носитель, на котором эта информация записана, безотносительно к тому, с помощью каких устройств и для каких целей эта информация может быть использована.
Заканчивая этот раздел, следует сказать несколько слов о формах организации ДНК в живых организмах и дать представление о ее размерах. Все живые организмы разделяют на две группы – прокариоты и эукариоты. У прокариот ДНК в основном представлена одной двунитевой структурой, как правило кольцевой (таким образом, для каждой из двух комплементарных цепей нельзя указать начало или конец), которая практически не обособлена от остальной части клетки. К прокариотам относятся разнообразные бактерии. Эукариотами являются многие более сложно организованные одноклеточные организмы, такие, как дрожжи и инфузории, и все без исключения многоклеточные, вплоть до человека. У эукариот в клетке имеется четко оформленное клеточное ядро, в котором сосредоточена подавляющая часть ДНК. При этом ДНК распределена по нескольким структурам, число которых зависит от природы живого организма и которые называют хромосомами. Большинство клеток содержит двойной набор хромосом. Одинарный набор характерен для половых клеток – сперматозоидов и яйцеклеток, и эти наборы сливаются в двойной набор при оплодотворении. После этого все развитие организма идет с сохранением двойного набора. Исключением является лишь последний этап созревания половых клеток, когда двойной набор распределяется пополам по двум созревшим сперматозоидам или яйцеклеткам. По-видимому, в пределах каждой хромосомы ДНК представлена одним непрерывным дуплексом гигантского размера – каждая из нитей может содержать сотни миллионов нуклеотидов.
Клетки человека содержат 23 пары хромосом, причем самые крупные хромосомы содержат ДНК, построенную из более чем 200 миллионов пар нуклеотидов.
ИНФОРМАЦИОННОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДНК. ТРАНСКРИПЦИЯ И ТРАНСЛЯЦИЯ
Тринуклеотидов можно построить 43 = 64, что создает даже определенную избыточность. За короткий срок весь генетический код был расшифрован. Приводить его в этой статье нецелесообразно, но важно сказать, что сборкой белков из аминокислот ДНК непосредственно не управляет. Для этого существуют посредники в виде молекул РНК, которые синтезируются при непосредственном участии ДНК.
РНК состоит из четырех рибонуклеотидов, которые аналогично тому, как это было сделано для ДНК, можно обозначить буквами A, G, C и U. По своей химической природе они очень близки к нуклеотидам, составляющим ДНК, причем они сохраняют способность к избирательному взаимодействию с соответствующими партнерами, например G c C. Нуклеотид U по своим свойствам в этом смысле сходен с dT. Синтез новых молекул РНК осуществляется с помощью специального матричного фермента – РНК-полимеразы (или более точно: с помощью комплекса белков, в которых важнейшую роль играет РНК-полимераза). Эта задача называется секвенированием (от английского слова sequence – последовательность) следующего мономера к растущей полимерной цепи РНК осуществляется с участием очередного нуклеотида в программирующей ДНК, который обеспечивает отбор комплементарного рибонуклеотида. В том участке РНК-полимеразы, который непосредственно участвует в происходящем химическом превращении, – ее активном центре – одна из нитей ДНК отстраняется от участия в отборе, происходит временное разделение нитей ДНК и образуется короткий дуплекс, состоящий из кусочка программирующей ДНК и кусочка вновь синтезированной РНК. Затем, однако, по мере удаления от активного центра РНК отделяется от ДНК, а использованный участок ДНК воссоединяется с временно устраненным комплементарным участком
Нужный кусок ДНК как бы переписывается в виде РНК, в связи с чем процесс получил название транскрипции (от англ. transcribe – переписывать). Если пренебречь небольшими химическими различиями между U и d T, C и dC и т.д., то можно сказать, что полученная при транскрипции цепь совпадает с соответствующим участком нити ДНК, не участвовавшим непосредственно в транскрипции (эту нить иногда называют нетранскрибируемой).
Итак, участок ДНК, содержащий информацию о структуре определенного белка, переписывается в виде РНК, имеющей ту же последовательность, что и нетранскрибируемая нить дуплекса, и в таком виде посылается к месту, в котором происходит формирование новых молекул белка. Эта РНК называется обычно мессенджер РНК (от англ. “messenger” – посыльный), или сокращенно мРНК. Новые молекулы белка собираются на довольно сложно устроенных частицах, называемых рибосомами. Они состоят из нескольких молекул РНК и нескольких десятков разных белков, которые соответственно называют рибосомными РНК (сокращенно рРНК) и рибосомными белками. Интересно и очень важно для работы рибосом, что их составляющие сгруппированы в две легко отделяемые друг от друга частицы (субъединицы) разного размера. Их соответственно называют большой и малой субъединицами. Что делает в рибосоме огромное количество разных белков, еще далеко не полностью установлено, и их чаще всего просто обозначают номерами, снабженными буквой S (small), если они находятся в малой, и буквой L (large), если они принадлежат большой субъединице. Каждая из субъединиц содержит по одной большой молекуле РНК, которые характеризуются цифрами, отражающими в определенных единицах их молекулярную массу. Например, для рибосом из кишечной палочки – любимого объекта молекулярных биологов (знаменитая Escherichia coli) малая и большая субъединицы содержат соответственно 16S и 23S рРНК (в этом случае буква S обозначает так называемую единицу Сведберга, с помощью которой характеризуют, как быстро частица перемещается в центробежном поле, создаваемом центрифугой Первую ультрацентрифугу, способную вращать ротор с огромным числом оборотов в минуту, построил шведский физико-химик Теодор Сведберг (1884 – 1971), в честь которого единицу осаждения (седиментации) назвали сведбергом.
Роль этих РНК совершенно отлична от роли мРНК и, так же как для рибосомных белков, до конца еще не установлена. Существенно, однако, что ДНК должна содержать программы и для синтеза тех РНК, которые нужны сами по себе, а не только как промежуточные посыльные для программирования синтеза белков.
Из давно устоявшихся положений то же следует сказать и об еще одной группе РНК, так называемых транспортных (тРНК). На заре становления молекулярной биологии было установлено, что в биосинтезе белка на рибосомах участвуют не сами аминокислоты, а продукты их присоединения к сравнительно небольшим специальным молекулам РНК. При этом каждой из двадцати аминокислот соответствует своя тРНК, а иногда и несколько разных тРНК. Следовательно, в ДНК должны быть запрограммированы и все последовательности, соответствующие необходимому для данного живого организма набору транспортных РНК. Молекула мРНК на каждой стадии удлинения создаваемой на рибосоме белковой цепи непосредственно участвует не в отборе самой аминокислоты, а в отборе той тРНК, к которой аминокислота успела присоединиться перед поступлением на рибосому. Следует подчеркнуть, что термин “транспортная РНК” не совсем удачно передает функциональную роль этого класса РНК, сводя ее к транспорту аминокислот к рибосомам. То же относится и к английскому эквиваленту этого термина transfer RNA, что переводится как “переносящая тРНК”. На самом деле основные две функции каждой тРНК заключаются в их способности присоединять определенную аминокислоту (акцепторная функция) и приспосабливать (адаптировать) эту аминокислоту к соответствующему кодону (адапторная функция).
Рибосома представляет собой довольно просто устроенную молекулярную машину, которая способна создавать новые молекулы белка. При этом не имеет существенного значения, какие именно молекулы белка предстоит создавать: все рибосомы устроены однотипно. Для создания белков необходимо сырье – аминокислоты, предварительно прикрепленные к определенным тРНК. Но этого для эффективной работы рибосом недостаточно: для этого нужна программа в виде мРНК. Каждая тройка нуклеотидов (ее часто называют кодоном) последовательно связывается с соответствующей данному кодону тРНК, к концу которой прикреплена кодируемая аминокислота. Например, тринуклеотид UUU в составе мРНК отберет тРНК, на которой предварительно посажена аминокислота фенилаланин. То же самое произойдет и в случае кодона UUC. Изменение одного нуклеотида в кодоне может изменить аминокислоту в белке. Например, описанная выше замена в ферменте альдегиддегидрогеназе аминокислоты лизина на глутамин происходит в результате замены в соответствующей мРНК кодона ААА, кодирующего лизин, на кодон GAA, кодирующий глутамат. Существенное изменение функции фермента происходит всего-навсего в результате замены одного А нa G. В отборе кодона также участвуют комплементарные взаимодействия. В составе той тРНК, которая присоединяет именно фенилаланин, имеется участок, часто называемый антикодоном, с последовательностью (3')AAG(5'), строго комплементарный кодону UUC и частично комплементарный UUU. Именно антикодон опознается и отбирается участком кодона, вошедшим в рибосому. Взаимодействие кодона мРНК и антикодона тРНК является ключевым информационным процессом, при котором происходит перевод информации, записанной в виде троек нуклеотидов, в соответствующую последовательность аминокислот в синтезируемом белке. Поэтому синтез белка на рибосоме получил название трансляции (от англ. translation – перевод). Вопрос, почему же на тРНК с таким анти-кодоном оказался именно фенилаланин, относится уже к совершенно другой проблеме, рассмотрение которой выходит за рамки этой статьи. Можно лишь вкратце упомянуть, что фенилаланин, как и любая другая аминокислота, участвующая в синтезе белка, присоединяется к соответствующей тРНК вне рибосом с помощью специальных ферментов, которые называют аминокислота: тРНК-лигазами (от англ. ligate – соединять). Наряду с этим названием используют название аминоацил-тРНК-синте-тазы, поскольку фактически к тРНК присоединяется не вся молекула аминокислоты, а ее часть, в которой вместо свойственной всем карбоновым кислотам карбоксильной группы СООН остается лишь фрагмент С=О. Такие фрагменты карбоновых кислот называют ацилами, а аминокислот, соответственно, аминоацилами. Аминоацил-тРНК-синте-тазы существуют для каждой аминокислоты. В частности, для фенилаланина таким ферментом является фенилаланин-тРНК-лигаза или фенилаланил-тРНК-синтетаза. Эти ферменты обладают уникальной избирательностью: из природных аминокислот они способны иметь дело только с фенилаланином, а из транспортных РНК – только с теми, которые существуют для переноса фенилаланина. В связи с этим они являются одним из главных объектов исследований проблемы специфичности нематричных ферментов. Нуклеиновые кислоты относятся к высокомолекулярным соединениям с молекулярным весом до нескольких миллионов. При полном гидролизе нуклеиновая кислота распадается на пуриновые и пиримидиновые основания, пентозу и фосфорную кислоту. Из пуриновых оснований наиболее часто встречаются аденин и гуанин, из пиримидиновых —цитозин, урацил и тимин:
В нуклеиновых кислотах кетоформы азотистых основании преимущественны.
Среди продуктов гидролиза некоторых нуклеиновых кислот обнаружен также 5-метилцитозин и 5-оксиметилцитозин.
Нуклеиновые кислоты по входящей в их состав пентозе разделяются на две группы: рибонуклеиновые кислоты (РНК), содержащие рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие дезоксирибозу (формулы пентоз).
Имеются отличия между РНК и ДНК и в составе азотистых оснований: в ДНК обнаружены аденин, гуанин, цитозин и тимин (отсутствует урацил), а в РНК отсутствует тимин и имеется аденин, гуанин, цитозин и урацил.
При гидролизе нуклеиновые кислоты распадаются на ряд более простых соединений, получивших название мононуклеотидов, а они, в свою очередь,— на нуклеозиды (состоящие из пуринового или пиримидинового основания и углевода) и молекулу фосфорной кислоты. Гидролиз мононуклеотидов может давать также свободные азотистые основания и эфиры фосфорной кислоты с углеводом рибозой или дезоксирибозой:
Следовательно, углевод находится посредине молекулы мононуклеотида, являясь связующим звеном между фосфорной кислотой и азотистым основанием, и мононуклеотид построены по следующему типу: пуриновое или пиримидиновое основание-углевод— фосфорная кислота.
В мононуклеотидах, в состав которых входит то или иное пуриновое основание, углевод присоединен к азоту в положении 9, а в мононуклеотидах с пиримидиновым основанием — в положении 3.
Остаток фосфорной кислоты в мононуклеотиде, освобождающемся при гидролизе нуклеиновой кислоты, присоединен в 5-м (см. выше) или в 3-м положении в зависимости от условий гидролиза.
Мононуклеотиды по входящему в их состав азотистому основанию получили названия: адениловая, гуаниловая, уридиловая, цитиди ловая, т и м и д и л о в а я к и слоты.
СТРОЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Нуклеиновые кислоты являются полимерами мононуклеотидов. Отдельные мононуклеотиды в молекуле нуклеиновой кислоты соединены между собой посредством кислородных мостиков, образующихся за счет гидроксильной группы, находящейся у третьего углеродного атома пентозы одного мононуклеотида, и гидроксила фосфорной кислоты, присоединенной к пятому углеродному атому пентозы соседнего мононуклеотида. Схематически строение нуклеиновых кислот можно представить следующим образом:
ДНК содержится главным образом в ядрах клеток, в хромосомах; незначительное количество ее обнаружено в митохондриях. Она обладает большим молекулярным весом (107 и более). Химический состав ДНК характеризуется следующими закономерностями: а) молярное содержание аденина равно молярному содержанию тимина
б) молярное содержание гуанина равно молярному содержанию цитозина. Отсюда выведено: а) сумма пуриновых оснований в любой ДНК равна сумме пиримидиновых основании
б) количество 6-аминогрупп в основаниях цепи ДНК равно количеству 6-кетогрупп
На основании этих закономерностей и рентгеноструктурных данных Уотсон и Крик сконструировали пространственную модель молекулы ДНК, согласно которой молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепочек, спирально закрученных одна относительно другой таким образом, что углеводно-фосфатная цепь располагается снаружи, а пуриновые и пиримидиновые основания — внутри (рис. 3).
Пуриновые и пиримидиновые основания, принадлежащие двум цепям, соединяются водородными связями, так что против аденина одной цепи всегда находится тимин другой, против гуанина — цитозин. Пара Г—Ц может образовывать три водородные связи, а пара А—Т — только две. Одна цепь по расположению азотистых оснований комплементарна (дополнительна) к другой цепи (т. е. против гуанина и цитозина одной цепи находятся аденин и тимин — другой). При новом синтезе ДНК эти спирали расходятся, и каждая дополняет свою половину (строит новую полинуклеотидную цепочку) за счет свободных нуклеотидов. При этом сохраняется то расположение нуклеотидов, которое характерно для определенного вида организма.
Основная функция ДНК — хранение и передача наследственной информации. В молекулах ДНК с последовательностью оснований зафиксированы все наследуемые свойства организма, и в первую очередь все структуры белков, а значит, и особенности обмена веществ, находящие отражение и в ряде морфологических признаков.
РНК содержится как в ядре (около10%), так и в цитоплазме клеток (около 90%). Рибонуклеиновые кислоты можно разделить на, три группы.
Рибосомальная РНК (р-РНК) обнаружена в рибосомах— особых субклеточных образованиях, в которых происходит синтез белков и составляет подавляющую часть всей РНК в клетке (75—80%). Она состоит из двух
основных компонентов с молекулярным весом 1,2 млн. и 0,5 млн.
В настоящее время считают, что эта РНК выполняет структурную роль; в соединении с соответствующими белками она образует структуру рибосомы.
Информационная РНК (матричная РНК, и-РНК)
составляет 5—10% РНК клетки. Ее молекулы бывают различных размеров, молекулярный вес доходит до 2 млн. В клетке она
выполняет роль матрицы при синтезе белка
и может присутствовать как в ядре, так и в цито
плазме.
3. Транспортная РНК (РНК-переносчик, растворимая
РНК, т-РНК) входит главным образом в состав цитоплазмы клеток и составляет 10—15% РНК. Для ряда т-РНК расшифрована последовательность расположения пуриновых и пиримидиновых оснований. Молекулярный вес этого вида РНК составляет около '25 000. Роль т-РНК заключается в том, что она транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка — рибосомам. Для каждой аминокислоты существует особая, специфическая т-РНК.
Репликация, транскрипция и трансляция – три основополагающих процесса, на которых зиждется любая жизнедеятельность. Информация о структуре белков, свойственных каждому живому организму, и структуре РНК, программирующих синтез этих белков, а также тех РНК, которые принимают участие в расшифровке генетического кода, может рассматриваться как главная в структуре ДНК. Однако информационное содержание ДНК этим не исчерпывается.
Дата публикования: 2015-11-01; Прочитано: 5288 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!