Лекция 13. Нуклеиновые кислоты План лекции : 1.Значение

Лекция 13. Нуклеиновые кислоты
План лекции :
1.Значение нуклеиновых кислот. История их изучения
2.Общий состав нуклеиновых кислот
3.Виды нуклеиновых кислот ( ДНК и РНК),структура и функции
4.Правило Чаргаффа, комплементарное
строение
Нуклеотидов
5.Нуклеозиды и нуклеотиды
ЛИТЕРАТУРА
1.Метлицкий Л.В. Основы биохимии плодов и овощей. М.,»Экономика»,1976,349 стр.
2.Кретович В.Л. Биохимия растений М. ,Высшая школа,1971,464 стр.
3.Гребинский С.О.Биохимия растений .Изд.Львовского
Университета,г.Львов,1967,271 стр.
4.БелозерскийА.Н. Нуклеопротеиды и нуклеиновые кислоты растений и их биологическое значение. Изд.
АНСССР М.,1959
5.Дэвидсон Д.Биохимия нуклеиновых кислот. Изд‐во
«Мир»,М.,1968
6.Алимова Р.А.,Сагдиев М.Т. Усимликлар физиологияси ва
биохимиёси.Ташкент,2013,320 б.
7.Алимова Р.А.Кишлок хужалик усимликлари биокимёси
фанидан лаборатория машгулотлари.
Ташкент,ТашДАУ,2000,95б.
8.Davies D, I.Giovanell, T.Rees Plant Biochemistry. Oxford,1964
1.Отличительным и самым поразительным свойством
Всех живых организмов является их способность к самовоспроизведению в сотнях и тысячах генераций.
Удивительный процесс хранения и передачи наследственной информации осуществляется в клетках сложной системой, основным фактором которой являются особые вещества – нуклеиновые кислоты. В них заключена разгадка того ,почему человек порождает человека, яблоня яблоню, дуб –
Дуба, берёза –берёзу и т.д.
Само название «нуклеиновые кислоты» получили от
Латинского слова – нуклеус «ядро». Впервые они были выделены из ядер клеток животных немецким учёным Ф. Мишером.
В дальнейшем нуклеиновые кислоты были обнаружены не только в ядрах ,но и в цитоплазме, хлоропластах и митохондриях всех без исключения живых организмах и была установлена их решающая роль в явлениях наследственности и регуляции биосинтеза белка.
Наиболее интересные данные, касающиеся строения молекул ,свойств и биологической роли нуклеиновых кислот были получены в начале 50‐х годов 20 века.
Набор и активность ферментных систем, регулирующих обмен веществ и определяющих биологическую индивидуальность организма, определяется генетическим материалом, заключенным в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты ‐ ДНК.
В каждом организме ДНК является материальным носителем генетической информации.
Синтез специфических для данного организма белков
Происходит с помощью рибонуклеиновых кислот ‐‐ РНК.
• 2.Общий состав и особенности строения нуклеиновых кислот
• Различают два основных типа нуклеиновых кислот :
• Дезоксирибонуклеиновая кислота – ДНК и
• Рибонуклеиновая кислота ‐ РНК.
• Из растений ДНК впервые была выделена А.Н.Белозерским в 1936 г.
РНК
Строение молекулы ДНК было расшифровано Д.Уотсоном Ф.Криком в 1953 г. ФОТО
В составе нуклеиновых кислот имеется сахар, азотистые основания и фосфорная кислота.
Сахар ,входящий в состав рибонуклеиновой кислоты
Называют рибозой,а в состав ДНК –
дезоксирибозой.
днк
Основными азотистыми основаниями РНК являются два пуриновых – аденин и гуанин и два пиримидиновых ‐ цитозин и урацил.
В составе ДНК обнаружены следующие азотистые основания:аденин, цитозин
,тимин (последний вместе с урацилом в РНК).
Кроме основных азотистых оснований в молекулах Нуклеиновых кислот содержатся так называемые минорные азотистые основания: в ДНК‐ 5‐метилцитозин и 6‐
метиламинопурин;
В РНК‐
псевдоурацил,тимин,1метилгуанин,гипокса
нтин и др.
Рибоза или дезоксирибоза ,реагирует с тем или иным азотистым основанием ,образует нуклеозиды. Последние соединяются с фосфорной кислотой и дают нуклеотиды
Нуклеиновые кислоты образуются в результате соединения различных нуклеотидов в полинуклеотидную цепь с помощью фосфорной связи. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, свернутых в двойную цепь и имеющих одну общую ось, эти цепи соединяются водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями соседних цепей. Нуклеиновые кислоты являются полимерами и состоят из большого количества мономеров, называемых нуклеотидами.
Каждый нуклеотид содержит три составные части: углевод (остаток сахара), фосфорная кислота и азотистое основание.
Именно нуклеотиды способны образовывать длинные цепи, соединяют друг с другом в различной последовательности. По Д.Уотсон и Ф.Крику ДНК представляет собой двойную спираль, в которой основу продольных нитей составляет углевод (сахар дезоксирибоза) и фосфорная кислота. Продольные нити соединены между собой попарно расположенными азотистыми основаниями.
Как уже упоминалось выше, в состав молекулы ДНК входят четыре азотистых основания – аденин, тимин, гуанин, цитозин. Но их количество и возможность разнообразных комбинаций огромны.
Так, например, участок ДНК фага содержит около 200.000 нуклеотидов.
• Молекулы ДНК отличаются друг от друга порядком чередования нуклеотидов. Их определенные сочетания обуславливает порядок расположения аминокислот в белке и является генетическим кодом.
• Количество нуклеотидов и их последовательность строго специфичны и отражают особенность белковых молекул, характерные для данного организма. Молекула ДНК обладает особым, только ей присущим свойством – способностью к самоудвоению, или редупликации (репликации).
• Сущность редупликации состоит в том, что при определенных условиях нити двойной спирали ДНК разъединяются и каждая достраивает утраченную спираль из имеющихся в клетку свободных нуклеотидов. • Способность ДНК к редупликации лежит в основе размножения всех организмов и обуславливает передачу наследственных особенностей последующим поколениям. Количество ДНК в ядре строго постоянно для каждого вида организма.
• Сущность принципа, лежащего в основе макромолекулярной структуры ДНК принципа комплементарности
заключается в том ,что образование таких водородных связей и соединение двух цепей ДНК в одну возможно только в случае, если противоположные нуклеотиды обеих цепей будут стерически
комплементарны, то есть будут дополнять друг друга своей пространственной структурой.
• Такими парами нуклеотидов являются аденин ‐ тимин и гуанин – цитозин. Следовательно, образование водородной связи в молекуле ДНК возможно только между строго определенными парами азотистых оснований соседних цепей, аденин одной цепи может взаимодействовать с тимином другой цепи, а гуанин – только с цитозином.
• Таким образом, одна цепь ДНК всегда комплементарна (дополнительна) другой цепи. Относительное количество оснований аденин ‐ тимин, гуанин –
цитозин (АТ/ГЦ) специфично для каждого вида организма и широко варьирует от вида к виду. • Все ДНК могут быть отнесены к двум основным типам: ГЦ ‐ типу (содержание гуанина и цитозина больше, чем аденина
и тимина) или АТ – типу (количество пар аденина и тимина больше, чем пар гуанина и цитозина). ДНК высших растений относится к АТ ‐ типу.
• ДНК представляет собой гигантскую молекулу состоящую из 25 – 26 тыс
нуклеотидов. Основная часть нуклеотидов содержится в ядре. Полинуклеотид ДНК соединен в клетке с белком (нуклеопротеид). Белковая часть нуклеопротеида состоит из белков основного типа (гистоны) и небольшой части негистонных белков.
• Экранирование белков отрицательного заряда молекулы ДНК, а также белковое взаимодействие на поверхность молекулы нуклеогистона обеспечивает вторичную спирализацию неклеопротеида в хромосоме.
• Генетические и цитологические исследования показывают ,что хромосома представляет собой образование ,состоящее из нескольких продольно расположенных идентичных молекул ДНК.
• При делении клетки происходит, как известно, удвоение хромосом т.е.синтез новых молекул ДНК. Две цепи исходной молекулы ДНК расходятся в нескольких местах одновременно и на • каждом из однотяжевых участков начинается синтез
• второй цепи из имеющихся в среде свободных нуклеотидов.
• При этом аденин исходной цепи • взаимодействует с тимином свободного нуклеотида,
• А гуанин с цитозином, так что вновь синтезируемая цепь ДНК получается комплементарной исходной цепи.
Процесс расхождения двух цепей и синтез из комплементарной цепи ДНК осуществляется ферментом ДНК –
полимеразой.
В последнее время в литературе появились данные о том,что для инициализации синтеза ДНК необходим синтез на одной из цепей исходной ДНК низкомолекулярной РНК – затравки.
Синтез этой РНК
Катализируется РНК‐полимеразой
Новая молекула ДНК первоначально синтезируется в виде небольших отрезков‐ олигонуклеопротеидов, Которые затем под действием лигаз
сшиваются в целую цепь ДНК.Вновь
синтезируемая молекула ДНК
модифицируется специфическими ферментами ‐
метилазами, присоединяющими метильные
группы к цитозину и аденину в тех же участках новой цепи ДНК,в которых эти группы были на исходной молекуле.
• Физиологический смысл модификации молекулы ДНК
• Путём метилирования ещё до конца не выяснен,но предполагают,что минорные основания играют важную роль во многих физиологических процессах.
• Таким образом, вновь синтезируемая молекула ДНК
• Является точной копией исходной молекулы.
• В результате деления клеток и расхождения хромосом в дочернюю клетку попадает
• точно такие же
• молекулы ДНК ,какие функционировали в материнской клетке. Таков механизм передачи генетической информации у всех живых организмов.
• Молекула РНК не имеет двойной спирали.
• Нити её значительно короче ,чем нити ДНК. Она состоит из 4…..6 нуклеотидов и отличается гораздо меньшей молекулярной массой.
• Вместо тимина в состав молекулы РНК входит урацил, углевод представлен сахаром – рибозой. Количество РНК может варьировать в зависимости от состояния клетки и интенсивности синтеза белка. Известно 3 вида РНК : информационная, транспортная, рибосомная. • Все они синтезируются при обязательном участии молекулы ДНК. Но синтез белка, как мы отмечали ранее, происходит не на самой молекуле ДНК. Роль посредников и своеобразного обслуживающего персонала в процессе синтеза белка выполняют рибонуклеиновые кислоты (РНК).
• Каждая молекула РНК синтезируется на определенном участке одной из цепей ДНК, как на матрице, в соответствии с принципом комплементарности. Значит, последовательность нуклеотидов в РНК полностью зависит от последовательности нуклеотидов данного участка ДНК. • Синтез РНК на ДНК (транскрипция) осуществляется ферментом РНК‐
полимеразой.
• Этот фермент состоит из нескольких субъединиц, каждая из которых контролирует одну из сторон процесса синтеза ДНК, инициацию синтеза РНК, элонгацию (удлинение цепи РНК) и терминацию (окончание) синтеза РНК.
• В зависимости от выполняемых функций в клетке РНК подразделяют на:
• Информационная РНК (и‐ РНК) называется еще РНК‐посредником. Ее функция состоит в переносе информации с молекулы ДНК к месту синтеза белка. • Каждая молекула и‐РНК кодирует полипептидную цепь определенного белка. и‐РНК представляет собой полимерную одноцепочную молекулу диаметром от 10 до 15 А и длиной от одного до нескольких тысяч А, состоящую из сотен субъединиц нуклеотидов.
• Рибосомальная РНК (р‐РНК) бывает трех видов, различающихся по молекулярному весу. Но по нуклеотидному составу все они относятся к ГЦ‐типу (за исключением р‐
РНК некоторых видов грибов), и их функция состоит в том, • что в комплексе со специфичными белками они образуют рибосомы –
структуры, в которых осуществляется синтез белка в клетке. Рибосомы состоят из двух неравных субъединиц: большой и малой.
• Транспортная РНК (т ‐РНК), представляют собой относительно небольшие молекулы, содержыщие 75‐100 нуклеотидов. Для каждой аминокислоты, входящей в состав белка, существует свой специфичный вид т‐РНК.
• Молекулы т‐РНК доставляют отдельные аминокислоты к месту синтеза белка – к рибосомам. В молекуле т‐РНК имеются три функционально активных участка: участок, связывающий определенную аминокислоу, участок, реагирующий с соответствующим центром рибосомы, • и участок (антикодон), комплементарный
определенной последовательности нуклеотидов (кодону) и‐РНК, кодирующий данную аминокислоту. До настоящего времени удалось расшифровать нуклеотидную последовательность нескольких т‐РНК:
• аланиновой, двух сериновых, лизиновый, фенилаланиновой и валиновый. Так, валиновая т‐РНК, извлеченная из пекарских дрожжей, состоит из 81 нуклеотида. • Вторичная структура каждого типа нуклеиновых кислот определяется нуклеотидной последовательностью. Молекулы РНК могут состоять из чередующихся спирально закрученных и развернутых участков. Активность информационной РНК зависит от вторичной структуры ее молекулы. • Молекулы транспортных РНК также обладают особой вторичной структурой, имеющий вид клеверного листа. Таким образом, молекулы ДНК и РНК образуют гигантскую полинуклеотидную цепочку, длина которой в отдельных случаях может достигать 0,5 см.
• Специфические химические и биологические свойства рибонуклеиновых и дезосирибонуклеиновых кислот зависят в первую очередь от состава образующих их нуклеотидов, расположения, последовательности их в полинуклеотидной цепочке нуклеиновой кислоты.
• Правило Э.Чаргаффа.
• При исследовании химического состава ДНК из различных организмов, органов и тканей Э.Чаргафф установил чрезвычайно важный и интересный факт.
• Оказалось, что в молекуле любой ДНК количество молей аденина(А) равно количеству молей тимина, а количество молей цитозина (ц) точно равно содержанию гуанина (г). Это можно изобразить следующим образом: А=Т и Ц=Г или А/Т=1 и Ц/Г=1
• (А=Г) : (Т=Ц)=1.
• Это значит, что сумма пуриновых оснований в ДНК любого происхождения равна сумме пиримидиновых оснований. Эта закономерность была названа правилом Чаргаффа.
• Это правило свидетельствует о том, что в молекуле ДНК наблюдается строгое соответствие оснований: на один остаток аденина обязательно приходится один остаток тимина и на остаток цитозина –
остаток гуанина. • Правило Чаргаффа сыграло важную роль при расшифровке молекулярной структуры ДНК.
• Соединения, в которых рибоза или дезоксирибоза связана с каким‐либо из пуриновых оснований или пиримидиновых оснований, получили
название нуклеозидов (по аналогии с гликозидами).
• Нуклеозиды, соединяясь с одной молекулой фосфорной кислоты, дают такие сложные вещества, которые называются нуклеотидами.
• Нуклеотиды имеют исключительно большое значение для обмена веществ живой тклетки.
• Такая важная роль нуклеотидов в явлениях жизни связана не только с тем, что они являются «кирпичами» из которых построены гигантские молекулы нуклеиновых кислот, но также с тем, что они входят в состав ряда важнейших ферментов, а некоторые из них являются веществами, в которых аккумулируется энергия, необходимая для осуществления жизненных процессов.
• Например, адениловая кислота может присоединять к своему фосфорному остатку еще один или два остатка фосфорной кислоты и образовывать при этом аденозиндифосфат (АДФ) или аденозинтрифосфат (АТФ).
Контрольные вопросы.
В чем заключается роль нуклеиновых кислот для живого организма?
Какие нуклеиновые кислоты Вы знаете?
Когда и кто впервые выделил ДНК из растения?
Кто и когда впервые обосновал теорию строения молекулы ДНК?
Расскажите о роли ДНК в организме?
Расскажите о роли РНК в организме?
В чем суть правила Чаргаффа?
Объясните термин «Комплементарное строение нуклеотидов».
В чем различие нуклеозидов и нуклеотидов?