Фізико-хімічні властивості ДНК
Різні чинники, що порушують водневі зв'язку (підвищення температури вище 80 С, зміна рН та іонної сили, дія сечовини і ін.), Викликають денатурацію ДНК, тобто зміна просторового розташування ланцюгів ДНК без розриву ковалентних зв'язків. Подвійна спіраль ДНК при денатурації повністю або частково розділяється на складові ланцюга. Денатурація ДНК супроводжується посиленням оптичного поглинання в УФ області пуринових і піримідинових основ. Це явище називають гіперхромними ефектом. При денатурації зменшується також висока в'язкість, притаманна розчинів нативної ДНК. При відновленні початкової двухспіральной структури ДНК, в результаті ренатурації, поглинання при 260 нм азотистими підставами внаслідок їх «екранування» зменшується. Це явище називають гіпохромний ефектом.
Функції ДНК. У послідовності нуклеотидів молекулах ДНК закодована генетична інформація. Основними функціями ДНК є, по-перше, забезпечення відтворення самої себе в ряді клітинних поколінь і поколінь організмів, по-друге, забезпечення синтезу білків. Ці функції обумовлені тим, що молекули ДНК служать матрицею в першому випадку для реплікації, тобто копіювання інформації в дочірніх молекулах ДНК, у другому - для транскрипції, тобто для перекодування інформації в структуру РНК.
Мал. 5 Крива плавлення (денатурації ДНК)
Комплементарні ланцюга ДНК, розділені при денатурації, при певних умовах можуть знову з'єднатися в подвійну спіраль. Цей процес називається ренатурації. Якщо денатурація відбулася не повністю і хоча б кілька підстав не втратили взаємодії водневими зв'язками, ренатурації протікає дуже швидко.
Вміщені в клітці РНК розрізняються складом, розміром, функціями і локалізацією.
У цитоплазмі клітин містяться три основних функціональних виду РНК. Це матричні РНК - мРНК, що виконують функції матриць білкового синтезу, Хвороби - рРНК, виконують роль структурних компонентів рибосом, і транспортні РНК - тРНК, які беруть участь в трансляції (перекладі) інформації мРНК в послідовність амінокислот у білку.
У таблиці 2 представлені відмінності ДНК від РНК за будовою, локалізації в клітині і функцій.
Таблиця 2 Відмінності ДНК від РНК
Функції Кодує послідовність амінокислот у білку, тобто зберігає генетичну інформацію
Функції - м-РНК служить матрицею, тобто передає інформацію ДНК м-РНК білок; - т-РНК транспортує амінокислоти до місця синтезу білка; - р-РНК у складі рибосом, становить 65% від їх виду, виконує структурну функцію
В ядрі клітин виявляють ядерну РНК, що становить від 4 до 10% від сумарної клітинної РНК. Основна маса ядерної РНК представлена високомолекулярними попередниками рибосомних і транспортних РНК. Попередники високомолекулярних рРНК (28S, 18S і 5S) в основному локалізуються в полісом. Від 2 до 10% від сумарної ядерної РНК припадає на особливу фракцію гетерогенної ядерної РНК (гяРНК), молекули якої є попередниками мРНК.
Важливим функціональним типом ядерної РНК є малі ядерні РНК (мяРНК), що містять від 90 до 300 нуклеотидів з унікальною нуклеотидної послідовністю, комплементарної послідовності сайтів сплайсингу. Завдяки цьому мяРНК регулює дозрівання (процесинг) гяРНК в зрілі мРНК.
РНК є основним генетичним матеріалом у деяких вірусів тварин і рослин (геномні РНК). Для більшості РНК вірусів характерна зворотна транскрипція їх РНК геному, яку направляють зворотного транскриптазой.
Все РНК являють собою полімери рибонуклеотидов, з'єднаних, як в молекулі ДНК, 3 ', 5' - фосфодіефірнимі зв'язками. На відміну від ДНК, що має двуцепочечную структуру, РНК являє одноцепочечниє лінійні полімерні молекули.
До теперішнього часу вдалося визначити первинну структуру більшості тРНК, рРНК, мРНК і мяРНК з різних видів живих організмів і виявити основні закономірності їх структурної організації.
мРНК володіють складною вторинної структурою, що забезпечує виконання ними матричної функції в ході трансляції. Показано, що в цілому в лінійної молекули мРНК формується кілька двухспіральной шпильок, на кінцях яких, на кінцях яких розташовуються «знаки» ініціації і термінації трансляції.
Структурна організація тРНК. Транспортні РНК виконують функції посередників (адаптерів) в ході трансляції мРНК. Кожній з 20 протеіногенних амінокислот відповідає своя тРНК. Для деяких амінокислот, які кодуються двуямя і більш кодонами, існує кілька тРНК.тРНК являють собою порівняно невеликі одноцепочечниє молекули, що складаються з 70-93 нуклеотидів. Їх молекулярна маса становить (2,4-3,1) # 8729; 10 4 кДа. На частку тРНК припадає приблизно 15% сумарної клітинної РНК.
До теперішнього часу встановлено нуклеотидних послідовність майже для 300 тРНК, виділених з різних видів організмів і володіють різною амінокислотної специфічністю. Незважаючи на відмінності нуклеотидноїпослідовності все тРНК мають багато спільних рис. У всіх тРНК 8 або більше нуклеотидів містять різні мінорні модифіковані підстави (всього близько 60), багато з яких представляють собою метиловані пуринові або піримідинові підстави. Обов'язковими мінорними компонентами для всіх тРНК є дігідроурідін і псевдоуридин. У більшості тРНК на 5 '- кінці знаходиться залишок гуанілова кислоти, на 3' - кінці всіх тРНК, званому акцепторним, обов'язковим є трінуклеотідамі - ЦЦА (3 '). Деякі модифіковані нуклеозида в тРНК представлені нижче.
Вторинна структура тРНК формується за рахунок утворення максимального числа водневих зв'язків між внутрішньомолекулярними комплементарними парами азотистих основ. В результаті утворення цих зв'язків полинуклеотидная ланцюг тРНК закручується з утворенням спіраль гілок, що закінчуються петлями з неспарених нуклеотидів. Просторове зображення вторинних структур всіх тРНК має форму листа конюшини (рис. 6).
У «лист конюшини» розрізняють 4 обов'язкові гілки, довші тРНК, крім того, містять коротку петлю (додаткову гілку).
Адапторная функцію тРНК забезпечують акцеторная гілка, до 3 '- кінця якої приєднується ефірним зв'язком амінокислотний залишок, і протистоїть акцепторной гілки антикодоновая гілка. на вершині котрої знаходиться петля, що містить антикодон. Антикодон є специфічним триплет нуклеотидів, який комплементарний в антипаралельними напрямку кодону мРНК, що кодує відповідну амінокислоту.
Т-гілка, що несе петлю псевдоуридин, забезпечує взаємодію тРНК з рибосомами. Д-гілка, що несе дегідроурідіновую петлю, найімовірніше, забезпечує взаємодію тРНК з відповідною аміноацил - тРНК- синтетазой. Функції п'ятої додаткової гілки поки мало досліджені, найімовірніше, вона зрівнює довжину різних молекул тРНК.
Мал. 6 Вторинна структура тРНК
Третинна структура тРНК компактна і утворюється шляхом зближення окремих гілок конюшини за рахунок додаткових водневих зв'язків і стекінг-взаімоденйствій, з утворенням L-образної структури «ліктьового згину» (рис. 7).
Мал. 7 Третинна структура тРНК
При цьому акцепторна плече, що зв'язує амінокислоту, виявляється розташованим на одному кінці молекули, а антикодон - на іншому. Третинні структури всіх тРНК настільки схожі, що суміш різних тРНК утворює кристали. У той же час наявні в просторову структуру незначні відмінності забезпечують специфічне впізнавання тРНК відповідними аміноацил-тРНК-синтетазами.
Структура Хвороби і рибосом. Хвороби формують ту основу, з якою зв'язуються специфічні білки при утворенні рибосом. Рибосоми - це нуклеопротеіновие органели, що забезпечують синтез білка на мРНК-матриці. Число рибосом в клітці дуже велике: від 10 4 у прокаріотів до 10 6 у еукаріот. Локалізуються рибосоми, головним чином, в цитоплазмі, у еукаріот, крім того, в полісом, в матриксі мітохондрій і стромі хлоропластів. Рибосоми складаються з двох субчастиц: великої і малої. За розмірами і молекулярної масі рибосоми ділять на 3 групи - 70 S рибосоми прокаріотів. що складаються з малої 30 S і великий 50 S субчастиц, 80 S рибосоми еукаріот. що складаються з 40 S малої і 60 S великий субчастиц, і рибосоми мітохондрій і хлоропластів. які в загальному відносять до класу 70 S, однак вони розрізняються за коефіцієнтами седиментації у різних груп еукаріот. Мала і велика субодиниці рибосом про- і еукаріот утворені молекулами рРНК і білками (див. Рис. 17).
Вторинна структура рРНК утворюється за рахунок коротких двухспіральной ділянок молекули - шпильок. Близько 2/3 рРНК організовано в шпильки, 1/3 - представлена однотяжевимі ділянками, багатими пуриновими нуклеотидами, з якими переважно зв'язуються білки. Білки рибосом мають основним характером, виконують як структурну, так і ферментативну роль.
Дослідження останніх років показали, що Хвороби є не тільки структурними компонентами рибосом, але і забезпечують правильне зв'язування їх з певною нуклеотидної послідовністю мРНК, встановлюючи тим самим початок і рамку зчитування при утворенні поліпептидного ланцюга. Крім того, рРНК беруть участь в забезпеченні взаємодії рибосом з тРНК.
Тести до модуля 1 «Нуклеїнові кислоти»
1. Нуклеїнові кислоти вперше були виділені
а) Ф. Криком і Д. Уотсон
б) М. Ніренбергом і співр.
2. Вперше довели генетичну роль ДНК
а) Ф. Сангер і співр.
б) Е. Чаргафф і співр.