Химия наследственности. Нуклеиновые кислоты. ДНК. РНК. Репликация ДНК и передача наследственной информации

Химия наследственности. Нуклеиновые кислоты. ДНК. РНК. Репликация ДНК и передача наследственной информации

Министерство высшего и среднего специального образования Российской

Федерации

Волгоградский государственный технический университет

Кафедра органической химии

КУРСОВАЯ РАБОТА

по теме: «Химия наследственности. Нуклеиновые кислоты. ДНК. РНК.

Репликация ДНК и передача наследственной информации.»

Выполнил: студентка

ХХХХХ

Группа ХХХХХХ

Проверил: ХХХХХХ

Волгоград - 2003

СОДЕРЖАНИЕ

|1.ВВЕДЕНИЕ |2 |

|2.ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ |3 |

|2.1.Мир РНК как предшественник современной жизни |4 |

|2.2.Возникновение биосинтеза белка |7 |

|3.НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ |10 |

|3.1.Состав нуклеиновых кислот |10 |

|3.2.Значение нуклеиновых кислот |12 |

|4.ДНК |13 |

|4.1.Состав ДНК |13 |

|4.2.Макромолекулярная структура ДНК |14 |

|4.3.Выделение дезоксирибонуклеиновых кислот |15 |

|4.4.Фракционирование |16 |

|4.5.Функции ДНК |17 |

|5.РНК |18 |

|5.1.Состав РНК |18 |

|5.2.Макромолекулярная структура РНК |18 |

|5.3.Мультифункциональность РНК |20 |

|5.4.Выделение рибонуклеиновых кислот |21 |

|5.5.Фракционирование |22 |

|6.ПРИРОДА МЕЖНУКЛЕОТИДНЫХ СВЯЗЕЙ |25 |

|6.1.Межнуклеотидная связь в ДНК |26 |

|6.2.Межнуклеотидная связь в РНК |28 |

|7.МАТРИЧНЫЙ СИНТЕЗ ДНК |30 |

|7.1.ДНК-полимеразы |31 |

|7.2.Точность синтеза ДНК и механизм коррекции |31 |

|8.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РЕПЛИКАЦИИ |33 |

|8.1.Инициация цепей ДНК |33 |

|8.2.Расплетение двойной спирали ДНК |34 |

|8.3.Прерывистый синтез ДНК |35 |

|8.4.Кооперативное действие белков репликационной вилки |36 |

|8.5.Согласованность процессов репликации ДНК и клеточного |36 |

|деления | |

|9.ЗАКЛЮЧЕНИЕ |38 |

|10.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ |39 |

1. ВВЕДЕНИЕ

Мы рождаемся, взрослеем, у нас появляются дети и внуки. Мы ни одни

живые существа на этой планете, вокруг нас ежечасно, ежесекундно происходит

зарождение новой жизни. Этот процесс не прерывается никогда. Наши

соседи по планете – это миллиарды живых существ: растения, животные,

микроорганизмы, вирусы. Нас радует цветущий вишневый сад и шорох желтеющей,

отмирающей листвы под ногами, умиротворяет выпрыгивающие из воды дельфины и

прыгающая белка – летяга. Все мы когда - либо болели гриппом, краснухой и

эти болезни вызваны нахождением в нашем организме болезнетворных микробов и

вирусов, а это тоже живые организмы. Как редко мы задумываемся, откуда

такое разнообразие жизни, и ее форм, так не похожих друг на друга! А между

тем все живые организмы состоят из одних и тех же химических элементов,

объединенных в макромолекы, такие как белки. Только у различных живых

существ белки различны по своей структуре. Но почему клетки определенного

организма синтезируют только свойственные им белки? Как происходит механизм

передачи наследственной информации, а главное – где она хранится? Все эти

вопросы перетекают в еще более важный, интересный и глобальный: жизнь – как

она появилась на этой планете и как происходит ее воспроизведение? Это

вопросы, на которые я постараюсь найти ответы в этой работе.

2. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

Пожалуй, первая научная, хорошо продуманная теория происхождения

жизни абиогенным путем была предложена биохимиком А.И. Опариным еще в 20-х

годах прошлого века. Теория базировалась на представлении, что все

начиналось с белков, и на возможности в определенных условиях спонтанного

химического синтеза мономеров белков - аминокислот - и белковоподобных

полимеров (полипептидов) абиогенным путем. Публикация теории стимулировала

многочисленные эксперименты в ряде лабораторий мира, показавшие реальность

такого синтеза в искусственных условиях. Теория быстро стала общепринятой и

необыкновенно популярной.

Основным ее постулатом было то, что спонтанно возникавшие в первичном

"бульоне" белковоподобные соединения объединялись в коацерватные капли -

обособленные коллоидные системы, плавающие в более разбавленном водном

растворе. Это давало главную предпосылку возникновения организмов -

обособление некой биохимической системы от окружающей среды, ее

компартментализацию. Так как некоторые белковоподобные соединения

коацерватных капель могли обладать каталитической активностью, то

появлялась возможность прохождения биохимических реакций синтеза внутри

капель - возникало подобие ассимиляции, а значит, роста коацервата с

последующим его распадом на части - размножением. Ассимилирующий, растущий

и размножающийся делением коацерват рассматривался как прообраз живой

клетки (рис. 1)

Все было хорошо продумано и научно обосновано в теории, кроме одной

проблемы, на которую долго закрывали глаза почти все специалисты в области

происхождения жизни. Если спонтанно, путем случайных безматричных синтезов

в коацервате возникали единичные удачные конструкции белковых молекул

(например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному

коацервату в росте и размножении), то как они могли копироваться для

распространения внутри коацервата, а тем более для передачи коацерватам-

потомкам? Теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного

воспроизведения - внутри коацервата и в поколениях - единичных, случайно

появившихся эффективных белковых структур.

[pic]

Рис. 1. Схематическое представление пути происхождения жизни

согласно белково - коацерватной теории А.И. Опарина

2.1. Мир РНК как предшественник современной жизни

Накопление знаний о генетическом коде, нуклеиновых кислотах и

биосинтезе белков привело к утверждению принципиально новой идеи о том, что

все начиналось вовсе не с белков, а с РНК. Нуклеиновые кислоты являются

единственным типом биологических полимеров, макромолекулярная структура

которых, благодаря принципу комплементарности при синтезе новых цепей,

обеспечивает возможность копирования собственной линейной

последовательности мономерных звеньев, другими словами, возможность

воспроизведения (репликации) полимера, его микроструктуры. Поэтому только

нуклеиновые кислоты, но не белки, могут быть генетическим материалом, то

есть воспроизводимыми молекулами, повторяющими свою специфическую

микроструктуру в поколениях.

По ряду соображений именно РНК, а не ДНК, могла представлять собой

первичный генетический материал.

Во-первых, и в химическом синтезе, и в биохимических реакциях

рибонуклеотиды предшествуют дезоксирибонуклеотидам; дезоксирибонуклеотиды -

продукты модификации рибонуклеотидов.

Во-вторых, в самых древних, универсальных процессах жизненного

метаболизма широко представлены именно рибонуклеотиды, а не

дезоксирибонуклеотиды, включая основные энергетические носители типа

рибонуклеозид-полифосфатов (АТФ и т.п.).

В-третьих, репликация РНК может происходить без какого бы то ни было

участия ДНК, а механизм редупликации ДНК даже в современном живом мире

требует обязательного участия РНК-затравки в инициации синтеза цепи ДНК.

В-четвертых, обладая всеми теми же матричными и генетическими

функциями, что и ДНК, РНК способна также к выполнению ряда функций,

присущих белкам, включая катализ химических реакций. Таким образом, имеются

все основания рассматривать ДНК как более позднее эволюционное приобретение

- как модификацию РНК, специализированную для выполнения функции

воспроизведения и хранения уникальных копий генов в составе клеточного

генома без непосредственного участия в биосинтезе белков.

После того как были открыты каталитически активные РНК, идея

первичности РНК в происхождении жизни получила сильнейший толчок к

развитию, и была сформулирована концепция самодостаточного мира РНК,

предшествовавшего современной жизни. Возможная схема возникновения мира РНК

представлена на рис. 2.

|[pic] |Рис. 2. Схематическое |

| |представление |

| |пути происхождения жизни |

| |согласно современной концепции |

| |первичности мира РНК |

Абиогенный синтез рибонуклеотидов и их ковалентное объединение в

олигомеры и полимеры типа РНК могли происходить приблизительно в тех же

условиях и в той же химической обстановке, что постулировались для

образования аминокислот и полипептидов. Недавно А.Б. Четверин с

сотрудниками (Институт белка РАН) экспериментально показали, что по крайней

мере некоторые полирибонуклеотиды (РНК) в обычной водной среде способны к

спонтанной рекомбинации, то есть обмену отрезками цепи, путем транс-

эстерификации. Обмен коротких отрезков цепи на длинные, должен приводить к

удлинению полирибонуклеотидов (РНК), а сама подобная рекомбинация

способствовать структурному многообразию этих молекул. Среди них могли

возникать и каталитически активные молекулы РНК.

Даже крайне редкое появление единичных молекул РНК, которые были

способны катализировать полимеризацию рибонуклеотидов или соединение

(сплайсинг) олигонуклеотидов на комплементарной цепи как на матрице,

означало становление механизма репликации РНК. Репликация самих РНК-

катализаторов (рибозимов) должна была повлечь за собой возникновение

самореплицирующихся популяций РНК. Продуцируя свои копии, РНК размножались.

Неизбежные ошибки в копировании (мутации) и рекомбинации в

самореплицирующихся популяциях РНК создавали все большее разнообразие этого

мира. Таким образом, предполагаемый древний мир РНК - это "самодостаточный

биологический мир, в котором молекулы РНК функционировали и как

генетический материал, и как энзимоподобные катализаторы".

2.2. Возникновение биосинтеза белка

Далее на основе мира РНК должно было происходить становление

механизмов биосинтеза белка, появление разнообразных белков с наследуемой

структурой и свойствами, компартментализация систем биосинтеза белка и

белковых наборов, возможно, в форме коацерватов и эволюция последних в

клеточные структуры - живые клетки.

Проблема перехода от древнего мира РНК к современному белок-

синтезирующему миру - наиболее трудная даже для чисто теоретического

решения. Возможность абиогенного синтеза полипептидов и белковоподобных

веществ не помогает в решении проблемы, так как не просматривается никакого

конкретного пути, как этот синтез мог бы быть сопряжен с РНК и подпасть под

генетический контроль. Генетически контролируемый синтез полипептидов и

белков должен был развиваться независимо от первичного абиогенного синтеза,

своим путем, на базе уже существовавшего мира РНК. В литературе предложено

несколько гипотез происхождения современного механизма биосинтеза белка в

мире РНК, но, пожалуй, ни одна из них не может рассматриваться как детально

продуманная и безупречная с точки зрения физико-химических возможностей.

Представленная ниже версия наиболее точно отражает процесса эволюции и

специализации РНК, ведущего к возникновению аппарата биосинтеза белка (рис.

3), но и она не претендует на законченность.

Предлагаемая гипотетическая схема содержит два существенных момента,

кажущихся принципиальными.

1. Постулируется, что абиогенно синтезируемые олигорибонуклеотиды

активно рекомбинировали посредством механизма спонтанной неэнзиматической

трансэстерификации , приводя к образованию удлиненных цепей РНК и давая

начало их многообразию. Именно этим путем в популяции олигонуклеотидов и

полинуклеотидов и могли появиться как каталитически активные виды РНК

(рибозимы), так и другие виды РНК со специализированными функциями (см.

рис. 3). Более того, неэнзиматическая рекомбинация олигонуклеотидов,

комплементарно связывающихся с полинуклеотидной матрицей, могла обеспечить

сшивание (сплайсинг) фрагментов, комплементарных этой матрице, в единую

цепь. Именно таким способом, а не катализируемой полимеризацией

мононуклеотидов, могло осуществляться первичные копирование (размножение)

РНК. Разумеется, если появлялись рибозимы, обладавшие полимеразной

активностью, то эффективность (точность, скорость и продуктивность)

копирования на комплементарной матрице должна была значительно возрастать.

[pic]

Рис. 3. Схема эволюции и специализации молекул РНК

в процессе перехода от древнего мира РНК к современному миру

генетически детерминированного биосинтеза белков

2. Первичный аппарат биосинтеза белка возник на базе нескольких

видов специализированных РНК до появления аппарата энзиматической

(полимеразной) репликации генетического материала - РНК и ДНК. Этот

первичный аппарат включал:

V каталитически активную прорибосомную РНК, обладавшую пептидил-

трансферазной активностью;

V набор про-тРНК, специфически связывающих аминокислоты или короткие

пептиды;

V другую прорибосомную РНК, способную взаимодействовать одновременно с

каталитической прорибосомной РНК, про-мРНК и про-тРНК (см. рис. 3).

Такая система уже могла синтезировать полипептидные цепи. Среди

прочих каталитически активных белков - первичных ферментов (энзимов) -

появились и белки, катализирующие полимеризацию нуклеотидов - репликазы,

или НК-полимеразы.

Впрочем, возможно, что гипотеза о древнем мире РНК как предшественнике

современного живого мира так и не сможет получить достаточного обоснования

для преодоления основной трудности - научно правдоподобного описания

механизма перехода от РНК и ее репликации к биосинтезу белка. Имеется

привлекательная и детально продуманная альтернативная гипотеза А.Д.

Альтштейна (Институт биологии гена РАН), в которой постулируется, что

репликация генетического материала и его трансляция - синтез белка -

возникали и эволюционировали одновременно и сопряжено, начиная с

взаимодействия абиогенно синтезирующихся олигонуклеотидов и аминоацил-

нуклеотидилатов - смешанных ангидридов аминокислот и нуклеотидов. Но это

уже следующая сказка... ("И Шахразаду застигло утро, и она прекратила

дозволенные речи".)

3. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

3.1. Состав нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты - это биополимеры, макромолекулы которых состоят

из многократно повторяющихся звеньев - нуклеотидов. Поэтому их называют

также полинуклеотидами. Важнейшей характеристикой нуклеиновых кислот

является их нуклеотидный состав. В состав нуклеотида - структурного звена

нуклеиновых кислот - входят три составные части:

азотистое основание - пиримидиновое или пуриновое. В нуклеиновых кислотах

содержатся основания 4-х разных видов: два из них относятся к классу

пуринов и два – к классу пиримидинов. Азот, содержащийся в кольцах, придает

молекулам основные свойства.

моносахарид - рибоза или 2-дезоксирибоза. Сахар, входящий в состав

нуклеотида, содержит пять углеродных атомов, т.е. представляет собой

пентозу. В зависимости от вида пентозы, присутствующей в нуклеотиде,

различают два вида нуклеиновых кислот – рибонуклеиновые кислоты (РНК),

которые содержат рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие

дизоксирибозу.

остаток фосфорной кислоты. Нуклеиновые кислоты являются кислотами потому,

что в их молекулах содержится фосфорная кислота.

Нуклеотид - фосфорный эфир нуклеозида. В состав нуклеозида входят два

компонента: моносахарид (рибоза или дезоксирибоза) и азотистое основание.

В конце 40-х — начале 50-х годов, когда появились такие методы

исследования, как хроматография на бумаге и УФ-спектроскопия, были

проведены многочисленные исследования нуклеотидного состава НК (Чаргафф, А.

Н. Белозерский). Полученные данные позволили решительно отбросить старые

представления о нуклеиновых кислотах, как о полимерах, содержащих

повторяющиеся тетрануклеотидные последовательности (так называемая

тетрануклеотидная теория строения ПК, господствовавшая в 30—40-е годы), и

подготовили почву для создания современных представлений не только о

первичной структуре ДНК и РНК, но и об их макромолекулярной структуре и

функциях.

Метод определения состава ПК основан на анализе гидролизатов,

образующихся при их ферментативном или химическом расщеплении. Обычно

используются три способа химического расщепления НК. Кислотный гидролиз в

жестких условиях (70%-ная хлорная кислота, 100°С, 1ч или 100%-ная

муравьиная кислота, 175 °C, 2 ч), применяемый для анализа как ДНК, так и

РНК, приводит к разрыву всех N-гликозидных связей и образованию смеси

пуриновых и пиримидиновых оснований. При исследовании РНК могут

использоваться как мягкий кислотный гидролиз (1 н. соляная кислота, 1OO°C,

1 ч), в результате которого образуются пуриновые основания и пирамидиповые

нуклеозид-2'(3')-фосфаты, так и щелочной гидролиз (0,3 н. едкий кали, 37

°С, 20 ч), дающий смесь нуклеозид -2' (3') -фосфатов.

Поскольку в НК число нуклеотидов каждого вида равно числу

соответствующих оснований, для установления нуклеотидного состава данной НК

достаточно определить количественное соотношение оснований. Для этой цели

из гидролизатов с помощью хроматографии на бумаге или электрофореза (когда

в результате гидролиза получают нуклеотиды) выделяют индивидуальные

соединения. Каждое основание независимо от того, связано оно с углеводным

фрагментом или нет, обладает характерным максимумом поглощения в УФ,

интенсивность которого зависит от концентрации. По этой причине, исходя из

УФ-спектров выделенных соединений, можно определить количественное

соотношение оснований, а следовательно, и нуклеотидный состав исходной НК.

При количественном определении минорных нуклеотидов, особенно таких

неустойчивых, как дигидроуридиловая кислота, пользуются ферментативными

методами гидролиза (ФДЭ змеиного яда и селезенки).

Использование описанных выше аналитических приемов показало, что ПК

различного происхождения состоят за редким исключением из четырех основных

нуклеотидов и что содержание минорных нуклеотидов может меняться в

значительных пределах.

Как будет показано далее, при изучении нуклеотидного состава ДНК были

получены данные, которые помогли установить ее пространственную структуру.

3.2. Значение нуклеиновых кислот

Значение нуклеиновых кислот очень велико. Особенности их химического

строения обеспечивают возможность хранения, переноса в цитоплазму и

передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых

молекул, которые синтезируются в каждой клетке. Белки обусловливают

большинство свойств и признаков клеток. Понятно поэтому, что стабильность

структуры нуклеиновых кислот - важнейшее условие нормальной

жизнедеятельности клеток и организма в целом. Любые изменения строения

нуклеиновых кислот влекут за собой изменения структуры клеток или

активности физиологических процессов в них, влияя таким образом на

жизнеспособность.

Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК.

РНК (рибонуклеиновая кислота), так же как ДНК, представляет

собой полимер мономерами которого служат нуклеотиды. Азотистые основания те

же самые, что входят в состав ДНК (аденин, гуанин, цетозин); четвертое -

урацил - присутствует в молекуле РНК вместо тимина. Нуклеотиды РНК содержат

вместо дизоксирибозы другую пентозу - рибозу.

4. ДНК

4.1. Состав ДНК

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) - биологический полимер,

состоящий из двух полинуклеотидных цепей, соединенных друг с другом.

Мономеры, составляющие каждую из цепей ДНК, представляют собой сложные

органические соединения, включающие одно из четырех азотистых оснований:

аденин (А) или тимин (Т), цитозин (Ц) или гуанин (Г); пятиатомный сахар

пентозу - дезоксирибозу, по имени которой получила название и сама ДНК, а

также остаток фосфорной кислоты. Эти соединения носят название нуклеотидов.

В каждой цепи нуклеотиды соединяются путем образования ковалентных связей

между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты последующего

нуклеотида. Объединяются две цепи в одну молекулу при помощи водородных

связей, возникающих между азотистыми основаниями, входящими в состав

нуклеотидов, образующих разные цепи.

Исследуя нуклеотидный состав ДНК различного происхождения, Чаргафф

обнаружил следующие закономерности.

1. Все ДНК независимо от их происхождения содержат одинаковое число

пуриновых и пиримидиновых оснований. Следовательно, в любой ДНК на каждый

пуриновый нуклеотид приходится один пиримидиновый.

2. Любая ДНК всегда содержит в равных количествах попарно аденин и

тимин, гуанин и цитозин, что обычно обозначают как А=Т и G=C. Из этих

закономерностей вытекает третья.

3. Количество оснований, содержащих аминогруппы в положении 4

пиримидинового ядра и 6 пуринового (цитозин и аденин), равно количеству

оснований, содержащих оксо-группу в тех же положениях (гуанин и тимин), т.

е. A+C=G+T. Эти закономерности получили название правил Чаргаффа. Наряду с

этим было установлено, что для каждого типа ДНК суммарное содержание

гуанина и цитозина не равно суммарному содержанию аденина и тимина, т. е.

что (G+C)/(A+T), как правило, отличается от единицы (может быть как больше,

так и меньше ее). По этому признаку различают два основных типа ДНК: А(Т-

тип с преимущественным содержанием аденина и тимина и G(C-тип с

преимущественным содержанием гуанина и цитозина.

Величину отношения содержания суммы гуанина и цитозина к сумме

содержания аденина и тимина, характеризующую нуклеотидный состав данного

вида ДНК, принято называть коэффициентом специфичности. Каждая ДНК имеет

характерный коэффициент специфичности, который может изменяться в пределах

от 0,3 до 2,8. При подсчете коэффициента специфичности учитывается

содержание минорных оснований, а также замены основных оснований их

производными. Например, при подсчете коэффициента специфичности для ЭДНК

зародышей пшеницы, в которой содержится 6% 5-метилцитозина, последний

входит в сумму содержания гуанина (22,7%) и цитозина (16,8%). Смысл правил

Чаргаффа для ДНК стал понятным после установления ее пространственной

структуры.

4.2. Макромолекулярная структура ДНК

В 1953 г. Уотсон и Крик, опираясь на известные данные о конформаци

нуклеозидных остатков, о характере межнуклеотидной связи в ДНК и

закономерности нуклеотидного состава ДНК (правила Чаргаффа), расшифровали

рентгенограммы паракристаллической формы ДНК [так называемой В-формы,

образующейся при влажности выше 80% и при высокой концентрации противоионов

(Li+) в образце]. Согласно их модели, молекула ДНК представляет собой

правильную спираль, образованную двумя полидезоксирибонуклеотидными цепями,

закрученными относительно друг друга и вокруг общей оси. Диаметр спирали

практически постоянен вдоль всей ее длины и равен 1,8 нм (18 А).

[pic]

Макромолекулярная структура ДНК.

(а)—Модель Уотсона — Крика;

(6)—параметры спиралей В-, С- и Т-форм ДНК (проекции

перпендикулярно оси спирали);

(в)—поперечный разрез спирали ДНК в В-форме (заштрихованные

прямоугольники изображают пары оснований);

(г)—параметры спирали ДНК в А-форме;

(д)—поперечный разрез спирали ДНК в А-форме.

Длина витка спирали, который соответствует ее периоду идентичности,

составляет 3,37 нм (33,7 А). На один виток спирали приходится 10 остатков

оснований в одной цепи. Расстояние между плоскостями оснований равно, таким

образом, примерно 0,34 нм (3,4 А). Плоскости остатков оснований

перпендикулярны длинной оси спирали. Плоскости углеводных остатков

несколько отклоняются от этой оси (первоначально Уотсон и .Крик

предположили, что они параллельны ей).

Из рисунка видно, что углеводофосфатный остов молекулы обращен наружу.

Спираль закручена таким образом, что на ее поверхности можно выделить две

различные по размерам бороздки (их часто называют также желобками) —

большую, шириной примерно 2,2 нм (22 А), и малую —шириной около 1,2 нм

(12А). Спираль — правовращающая. Полидезоксирибонуклеотидные цепи в ней

антипараллельны: это означает, что если мы будем двигаться вдоль длинной

оси спирали от одного ее конца к другому, то в одной цепи мы будем

проходить фосфодиэфирные связи в направлении 3'(5', а в другой — в

направлении 5'(3'. Иными словами, на каждом из концов линейной молекулы ДНК

расположены 5'-конец одной и 3'-конец другой цепи.

Регулярность спирали требует, чтобы против остатка пуринового

основания в одной цепи находился остаток пиримидинового основания в другой

цепи. Как уже подчеркивалось, это требование реализуется в виде принципа

образования комплементарных пар оснований, т. е. остаткам аденина и гуанина

в одной цепи соответствуют остатки тимина и цитозина в другой цепи (и

наоборот).

Таким образом, последовательность нуклеотидов в одной цепи молекулы

ДНК предопределяет нуклеотидную последовательность другой цепи.

Этот принцип является главным следствием модели Уотсона и Крика,

поскольку он в удивительно простых химических терминах объясняет основное

функциональное назначение ДНК — быть хранителем генетической информации.

Заканчивая рассмотрение модели Уотсона и Крика, остается добавить, что

соседние пары остатков оснований в ДНК, находящейся в В-форме, повернуты

друг относительно друга на 36° (угол между прямыми, соединяющими атомы С1'

в соседних комплементарных парах).

4.3. Выделение дезоксирибонуклеиновых кислот

Живые клетки, за исключением сперматозоидов, в норме содержат

значительно больше рибонуклеиновой, чем дезоксирибонуклеиновой кислоты. На

методы выделения дезоксирибонуклеиновых кислот оказало большое влияние то

обстоятельство, что, тогда как рибонуклеопротеиды и рибонуклеиновые кислоты

растворимы в разбавленном (0,15 М) растворе хлористого натрия,

дезоксирибонуклеопротеидные комплексы фактически в нем нерастворимы.

Поэтому гомогенизированный орган или организм тщательно промывают

разбавленным солевым раствором, из остатка с помощью крепкого солевого

раствора экстрагируют дезоксирибонуклеиновую кислоту, которую осаждают

затем добавлением этанола. С другой стороны, элюирование того же остатка

водой дает раствор, из которого при добавлении соли выпадает

дезоксирибонуклеопротеид. Расщепление нуклеопротеида, который в основном

представляет собой солеподобный комплекс между полиосновными и

поликислотными электролитами, легко достигается растворением в крепком

солевом растворе или обработкой тиоцианатом калия. Большую часть белка

можно удалить либо добавлением этанола, либо эмульгированием с помощью

хлороформа и амилового спирта (белок образует с хлороформом гель). Широко

применялась также обработка детергентами. Позднее дезоксирибонуклеиновые

кислоты выделяли с помощью экстракции водными n-аминосалицилат — фенольными

растворами. При использовании этого метода были получены препараты

дезоксирибонуклеиновой кислоты, из которых одни содержали остаточный белок,

тогда как другие были фактически свободны от белка, что указывает на то,

что характер связи белок — нуклеиновая кислота различен в различных тканях.

Удобная модификация состоит в гомогенизировании животной ткани в 0,15 М

растворе фенолфталеиндифосфата с последующим добавлением фенола для

осаждения ДНК (свободной от РНК) с хорошим выходом.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты, каким бы способом они не выделялись,

представляют собой смеси полимеров различного молекулярного веса, за

исключением образцов, полученных из некоторых видов бактериофагов.

4.4. Фракционирование

Ранний метод разделения заключался в фракционной диссоциации гелей

дезоксирибонуклеопротеида (например, нуклеогистона) посредством экстракции

водными растворами хлористого натрия увеличивающейся молярности. Таким

путем препараты дезоксирибонуклеиновой кислоты были разделены на ряд

фракций, характеризующихся различным отношением содержания аденина с

тимином к сумме гуанина с цитозином, причем более легко выделялись фракции,

обогащенные гуанином и цитозином. Сходные результаты были получены при

хроматографическом отделении дезоксирибонуклеиновой кислоты от гистона,

адсорбированного на кизельгуре, с применением градиентного элюирования

растворами хлористого натрия. В улучшенном варианте этого метода очищенные

фракции гистона сочетались с n-аминобензилцеллюлозой с образованием

диазомостиков от тирозиновых и гистидиновых групп белка. Описано также

фракционирование нуклеиновых кислот на метилированном сывороточном

альбумине (с кизельгуром в качестве носителя). Скорость элюирования с

колонки солевыми растворами увеличивающейся концентрации зависит от

молекулярного веса, состава (нуклеиновые кислоты с высоким содержанием

гуанина с цитозином элюируются легче) и вторичной структуры

(денатурированная ДНК прочнее удерживается колонкой, чем нативная). Таким

способом из ДНК морского краба Cancer borealis выделен природный компонент

— полидезоксиадениловая-тимидиловая кислота. Фракционирование

дезоксирибонуклеиновых кислот проводилось также посредством градиентного

элюирования с колонки, наполненной фосфатом кальция.

4.5. Функции ДНК

В молекуле ДНК с помощью биологического кода зашифрована

последовательность аминокислот в пептидах. Каждая аминокислота кодируется

сочетанием трех нуклеотидов, в этом случае образуется 64 триплета, из

которых 61 кодируют аминокислоты, а 3 являются бессмысленными и выполняют

функцию знаков препинания (АТТ, АЦТ, АТЦ). Шифрование одной аминокислоты

несколькими триплетами получило название как вырожденность триплетного

кода. Важными свойствами генетического кода является его специфичность

(каждый триплет способен кодировать только одну аминокислоту),

универсальность (свидетельствует о единстве происхождения всего живого на

Земле) и неперекрываемость кодонов при считывании.

ДНК выполняет следующие функции:

V хранение наследственной информации происходит с помощью гистонов.

Молекула ДНК сворачивается, образуя вначале нуклеосому, а после

гетерохроматин, из которого состоят хромосомы;

V передача наследственного материала происходит путем репликации ДНК;

V реализация наследственной информации в процессе синтеза белка.

5. РНК

5.1. Состав РНК

Первые сведения о нуклеотидном составе РНК относились к препаратам,

представляющим собой смеси клеточных РНК (рибосомных, информационных и

транспортных) и называемым обычно суммарной фракцией РНК. Правила Чаргаффа

в этом случае не соблюдаются, хотя определенное соответствие между

содержанием гуанина и цитозина, а также аденина и урацила все же имеет

место.

Данные, полученные в последние годы при анализе индивидуальных РНК,

показывают, что и на них правила Чаргаффа не распространяются. Однако

различия в содержании аденина и урацила, а также гуанина и цитозина для

большинства РНК невелики и что, следовательно, тенденция к выполнению

указанных правил все же наблюдается. Этот факт объясняется особенностями

макроструктуры РНК.

Характерными структурными элементами некоторых РНК являются минорные

основания. Соответствующие им нуклеотидные остатки обычно входят в состав

транспортных и некоторых других РНК в очень небольших количествах, поэтому

определение полного нуклеотидного состава таких РНК представляет собой

иногда весьма сложную задачу.

5.2. Макромолекулярная структура РНК

Химически РНК очень похожа на ДНК. Оба вещества - это линейные

полимеры нуклеотидов. Каждый мономер - нуклеотид - представляет собой

фосфорилированный N-гликозид, построенный из остатка пятиуглеродного сахара

- пентозы, несущего фосфатную группу на гидроксильной группе пятого

углеродного атома (сложноэфирная связь) и азотистое основание при первом

углеродном атоме (N-гликозидная связь). Главное химическое различие между

ДНК и РНК состоит в том, что сахарный остаток мономера РНК - это рибоза, а

мономера ДНК - дезоксирибоза, являющаяся производным рибозы, в котором

отсутствует гидроксильная группа при втором углеродном атоме (рис. 4).

[pic]

Рис.4. Химические формулы остатков одного из рибонуклеотидов – уридиловой

кислоты (U) и гомологичного ему

дезоксирибонуклеотида тимидиловой кислоты (dT)

Азотистых оснований в РНК четыре вида: два пуриновых - аденин (А) и

гуанин (G) -и два пиримидиновых - цитозин (С) и урацил (U)

Мономеры - рибонуклеотиды РНК - образуют полимерную цепь посредством

формирования фосфодиэфирных мостиков между сахарными остатками (между пятым

и третьим атомами углерода пентозы). Таким образом, полимерная цепь РНК

может быть представлена как линейный сахаро-фосфатный остов с азотистыми

основаниями в качестве боковых групп.

Впервые специфическая пространственная структура РНК была

продемонстрирована при расшифровке атомной структуры одной из т-РНК в 1974

г. (рис. 5). Сворачивание полимерной цепи тРНК, состоящей из 76

нуклеотидных мономеров, приводит к формированию очень компактного

глобулярного ядра, из которого под прямым углом торчат два выступа. Они

представляют собой короткие двойные спирали по типу ДНК, но организованные

за счет взаимодействия участков одной и той же цепи РНК. Один из выступов

является акцептором аминокислоты и участвует в синтезе полипептидной цепи

белка на рибосоме, а другой предназначен для комплементарного

взаимодействия с кодирующим триплетом (кодоном) м-РНК в той же

рибосоме. Только такая структура способна специфически взаимодействовать с

белком-ферментом, навешивающим аминокислоту на т-РНК, и с рибосомой в

процессе трансляции, то есть специфически "узнаваться" ими.

[pic]

Рис. 5. Атомная (слева) и скелетная (справа) модели фенилаланиновой т-

РНК дрожжей

Изучение изолированных рибосомных РНК дало следующий разительный

пример формирования компактных специфических структур из еще более длинных

линейных полимеров этого типа. Рибосома состоит из двух неравных частей -

большой и малой рибосомных субчастиц (субъединиц). Каждая субчастица

построена из одной высокополимерной РНК и целого ряда разнообразных

рибосомных белков. Длина цепей рибосомных РНК весьма значительна: так, РНК

малой субчастицы бактериальной рибосомы содержит более 1500 нуклеотидов, а

РНК большой субчастицы - около 3000 нуклеотидов. У млекопитающих, включая

человека, эти РНК еще больше - около 1900 нуклеотидов и более 5000

нуклеотидов в малой и большой субчастицах соответственно.

5.3. Мультифункциональность РНК

Суммирование и обзор знаний о функциях РНК позволяют говорить о

необыкновенной многофункциональности этого полимера в живой природе. Можно

дать следующий список основных известных функций РНК.

• Генетическая репликативная функция: структурная возможность

копирования (репликации) линейных последовательностей нуклеотидов через

комплементарные последовательности. Функция реализуется при вирусных

инфекциях и аналогична главной функции ДНК в жизнедеятельности клеточных

организмов - редупликации генетического материала.

• Кодирующая функция: программирование белкового синтеза линейными

последовательностями нуклеотидов. Это та же функция, что и у ДНК. И в ДНК,

и в РНК одни и те же триплеты нуклеотидов кодируют 20 аминокислот белков, и

последовательность триплетов в цепи нуклеиновой кислоты есть программа для

последовательной расстановки 20 видов аминокислот в полипептидной цепи

белка.

• Структурообразующая функция: формирование уникальных трехмерных

структур. Компактно свернутые молекулы малых РНК принципиально подобны

трехмерным структурам глобулярных белков, а более длинные молекулы РНК

могут образовывать и более крупные биологические частицы или их ядра.

• Функция узнавания: высокоспецифические пространственные

взаимодействия с другими макромолекулами (в том числе белками и другими

РНК) и с малыми лигандами. Эта функция, пожалуй, главная у белков. Она

основана на способности полимера сворачиваться уникальным образом и

формировать специфические трехмерные структуры. Функция узнавания является

базой специфического катализа.

• Каталитическая функция: специфический катализ химических реакций

рибозимами. Данная функция аналогична энзиматической функции белков-

ферментов.

В целом РНК предстает перед нами столь удивительным полимером, что,

казалось бы, ни времени эволюции Вселенной, ни интеллекта Творца не должно

было бы хватить на ее изобретение. Как можно было видеть, РНК способна

выполнять функции обоих принципиально важных для жизни полимеров - ДНК и

белков. Неудивительно, что перед наукой и встал вопрос: а не могло ли

возникновение и самодостаточное существование мира РНК предшествовать

появлению жизни в ее современной ДНК-белковой форме?

5.4. Выделение рибонуклеиновых кислот

Страницы: 1, 2