Лекция 13. Нуклеиновые кислоты План лекции ·...
Transcript of Лекция 13. Нуклеиновые кислоты План лекции ·...
Лекция 13. Нуклеиновые кислотыПлан лекции :1.Значение нуклеиновых кислот. История их изучения
2.Общий состав нуклеиновых кислот3.Виды нуклеиновых кислот ( ДНК и РНК),структура и функции
4.Правило Чаргаффа, комплементарноестроение
Нуклеотидов5.Нуклеозиды и нуклеотиды
ЛИТЕРАТУРА1.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.ЛьвовскогоУниверситета,г.Львов,1967,271 стр.4.БелозерскийА.Н. Нуклеопротеиды и нуклеиновые кислоты
растений и их биологическое значение. Изд.АНСССР М.,19595.Дэвидсон Д.Биохимия нуклеиновых кислот. Изд‐во«Мир»,М.,19686.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. ФОТОВ 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,гипоксантин 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 комплементарностизаключается в том ,что образование таких водородных связей и соединение двух цепей ДНК в одну возможно только в случае, если противоположные нуклеотиды обеих цепей будут стерическикомплементарны, 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 аденинаи 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 тыснуклеотидов. 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 РНККатализируется РНК‐полимеразойНовая молекула ДНК первоначально синтезируется в виде небольших отрезков‐ олигонуклеопротеидов,
Которые затем под действием лигазсшиваются в целую цепь ДНК.Вновьсинтезируемая молекула ДНК
модифицируется специфическими ферментами ‐
метилазами, присоединяющими метильныегруппы 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), комплементарныйопределенной 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, получилиназвание 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?