Podobne ako proteíny, aj nukleové kyseliny sú biopolyméry a ich funkciou je uchovávať, implementovať a prenášať genetickú (dedičnú) informáciu v živých organizmoch.

Existujú dva typy nukleových kyselín – deoxyribonukleová (DNA) a ribonukleová (RNA). Monoméry v nukleových kyselinách sú nukleotidy. Každý z nich obsahuje dusíkatú bázu, päťuhlíkový cukor (deoxyribóza v DNA, ribóza v RNA) a zvyšok kyseliny fosforečnej.

DNA obsahuje štyri typy nukleotidov, ktoré sa líšia v dusíkatej báze svojim zložením – adenín (A), guanín (G), cytozín (C) a tymín (T). Molekula RNA má tiež 4 typy nukleotidov s jednou z dusíkatých báz – adenín, guanín, cytozín a uracil (U). DNA a RNA sa teda líšia ako obsahom cukru v nukleotidoch, tak aj jednou z dusíkatých báz (tab. 1).

stôl 1

Zložky nukleotidov DNA a RNA

Molekuly DNA a RNA sa výrazne líšia svojou štruktúrou a funkciami.

Molekula DNA môže obsahovať obrovské množstvo nukleotidov – od niekoľkých tisícok až po stovky miliónov (skutočne obrovské molekuly DNA možno „vidieť“ elektrónovým mikroskopom). Štrukturálne ide o dvojitú špirálu polynukleotidové reťazce(obr. 1), spojené vodíkovými väzbami medzi dusíkatými bázami nukleotidov. Vďaka tomu sú polynukleotidové reťazce pevne držané jeden vedľa druhého.

Pri štúdiu rôznych DNA (v rôznych typoch organizmov) sa zistilo, že adenín jedného reťazca sa môže viazať iba na tymín a guanín iba na cytozín iného. Preto poradie nukleotidov v jednom reťazci presne zodpovedá poradiu ich umiestnenia v inom reťazci. Tento jav bol pomenovaný komplementárnosť(t.j. adície) a nazývajú sa opačné polynukleotidové reťazce komplementárne. To je dôvod jedinečnej vlastnosti DNA medzi všetkými anorganickými a organickými látkami - schopnosť reprodukovať sa alebo zdvojnásobenie(obr. 2). V tomto prípade sa najprv komplementárne reťazce molekúl DNA rozchádzajú (pod vplyvom špeciálneho enzýmu sa zničia väzby medzi komplementárnymi nukleotidmi oboch reťazcov). Potom na každom reťazci začína syntéza nového („chýbajúceho“) komplementárneho reťazca vďaka voľným nukleotidom, ktoré sú v bunke vždy prítomné vo veľkých množstvách. Výsledkom je, že namiesto jednej („rodičovskej“) molekuly DNA sa vytvoria dve („dcérske“) nové molekuly, ktoré sú navzájom identické v štruktúre a zložení, ako aj s pôvodnou molekulou DNA. Tento proces vždy predchádza bunkovému deleniu a zabezpečuje prenos dedičnej informácie z materskej bunky na dcéru a všetky nasledujúce generácie.

Ryža. jeden. Dvojitá špirála DNA. Dve reťaze sú omotané jedna okolo druhej. Každý reťazec (zobrazený ako stuha) pozostáva zo striedajúcich sa cukrových a fosfátových skupín. Vodíkové väzby medzi dusíkatými bázami (A, T, G a C) držia tieto dva reťazce pohromade

Ryža. 2.replikácia DNA. Dvojitá špirála sa „odopína“ pomocouslabé vodíkové väzby spájajúce komplementárne základy dvoch reťazí. Každá zo starých reťazí slúži ako matricana vytvorenie nového: nukleotidy s komplementár základne zarovnajte oproti starej reťazi a spojtespolu

Molekuly RNA sú zvyčajne jednovláknové (na rozdiel od DNA) a obsahujú oveľa menší počet nukleotidov. Existujú tri typy RNA (tabuľka 2), ktoré sa líšia veľkosťou molekúl a vykonávanými funkciami – informačná (mRNA), ribozomálna (rRNA) a transportná (tRNA).

tabuľka 2

TrimilýRNA

Messenger RNA (i-RNA) sa nachádza v jadre a cytoplazme bunky, má najdlhší polynukleotidový reťazec spomedzi RNA a plní funkciu prenosu dedičnej informácie z jadra do cytoplazmy bunky.

Transferová RNA (t-RNA) sa nachádza aj v jadre a cytoplazme bunky, jej reťazec má najkomplexnejšiu štruktúru a je aj najkratší (75 nukleotidov). T-RNA dodáva aminokyseliny do ribozómov počas translácie - biosyntézy bielkovín.

Ribozomálna RNA (r-RNA) sa nachádza v jadierku a ribozómoch bunky, má stredne dlhý reťazec. Všetky typy RNA sa tvoria počas transkripcie zodpovedajúcich génov DNA.

Nukleové kyseliny- Ide o vysokomolekulárne organické zlúčeniny s prvoradým biologickým významom. Prvýkrát boli objavené v jadre buniek (na konci XIX c.), odtiaľ aj zodpovedajúci názov (nucleus – nucleus). Nukleové kyseliny uchovávajú a prenášajú dedičné informácie.

Existujú dva typy nukleových kyselín: deoxyribonukleová(DNA)-a ribonukleová kyselina (RNA). Hlavnou lokalizáciou DNA je jadro bunky. DNA sa našla aj v niektorých organelách (plastidy, mitochondrie, centrioly). RNA sa nachádzajú v jadierku, ribozómoch a cytoplazme bunky.

Molekula DNA pozostáva z dvoch špirálovitých vlákien stočených vedľa seba. Jeho monoméry sú nukleotidy. Každý nukleotid je chemická zlúčenina pozostávajúca z troch látok: dusíkatej bázy, päťatómovej cukrovej deoxyribózy a zvyšku kyseliny fosforečnej. Existujú štyri typy dusíkatých báz: adenín (A), tymín (T), guanín (G) a cytozín (C), ktoré tvoria štyri typy nukleotidov v molekule DNA: adenyl, tymidyl, guanyl a cytidyl.

Schéma nukleotidovej štruktúry

Dusíkaté bázy v molekule DNA sú vzájomne prepojené nerovnakým počtom vodíkových väzieb. Adenín - tymín si navzájom zodpovedajú v priestorovej konfigurácii a tvoria dve vodíkové väzby. Rovnakým spôsobom si molekuly guanínu a cytozínu zodpovedajú svojou konfiguráciou, sú spojené tromi vodíkovými väzbami. Schopnosť selektívnej interakcie adenínu s tymínom a guanínu s cytozínom na základe priestorového usporiadania atómov týchto molekúl je tzv. komplementárnosť (doplnkovosť). V polynukleotidovom reťazci sú susedné nukleotidy spojené cez cukor (deoxyribóza) a zvyšok kyseliny fosforečnej. V molekule DNA je zapojených mnoho tisíc nukleotidov. Molekulová hmotnosť tejto zlúčeniny dosahuje desiatky a stovky miliónov.

DNA sa nazýva látka dedičnosti. Biologická dedičná informácia je zašifrovaná (zakódovaná) v molekulách DNA pomocou chemického kódu. Bunky všetkých živých bytostí majú rovnaký kód. Je založená na sekvencii spojenia v reťazcoch DNA štyroch dusíkatých báz: A, T, G, C. Vznikajú rôzne kombinácie troch susedných nukleotidov trojčatá volal kodóny. Sekvencia kodónov vo vlákne DNA zase určuje (kóduje) sekvenciu aminokyselín v polypeptidovom proteínovom reťazci. Pre každú z 20 aminokyselín, z ktorých bunky stavajú všetky bielkoviny daného organizmu bez výnimky, existuje vlastný špecifický kodón a susedné triplety sa neprekrývajú: v procese čítania informácie z molekuly DNA sa dusíkaté bázy jedného kodónu nie sú nikdy zahrnuté v inom - číta sa trojica týchto nukleotidov a v poradí, v akom sa vyskytujú v tomto konkrétnom kodóne. Každý triplet zodpovedá jednej z 20 aminokyselín.

Zo štyroch dusíkatých zásad (G, C, A, T) každá trojica obsahuje iba tri v rôznych kombináciách:

G-A-T, C-G-A, A-C-T, G-C-G, T-C-T atď. Takýchto neopakujúcich sa kombinácií môže byť 4x4x4 = 64 a počet aminokyselín je 20.

Výsledkom je, že niektoré aminokyseliny sú kódované viacerými tripletmi. Toto nadbytok kód má veľký význam pre zvýšenie spoľahlivosti prenosu genetickej informácie. Napríklad aminokyselina arginín zodpovedá tripletom HCA, HCH, HCT, HCC. Je jasné, že náhodné nahradenie tretieho nukleotidu v týchto tripletoch nijako neovplyvní štruktúru syntetizovaného proteínu. Nižšie uvedený diagram schematicky znázorňuje sekvenciu piatich kodónových tripletov v malej časti reťazca DNA. Striedanie jednotlivých nukleotidov v jednom reťazci DNA sa môže meniť, ako chcete, ale ich sekvencia v inom reťazci musí byť k nemu komplementárna, napríklad:

1. vlákno GAT____ CGA____ATST____GCG____TCT atď.

2. vlákno CTA____GCT____TGA____CGTs____ AGA atď.

Bunka má potrebný mechanizmus sebazdvojenia (samoreprodukcie) genetický kód. Proces sebazdvojenia prebieha v etapách: najprv sa pomocou enzýmov prerušia vodíkové väzby medzi dusíkatými bázami. V dôsledku toho sa jeden reťazec DNA odchyľuje od druhého, potom každý z nich syntetizuje nový pripojením komplementárnych nukleotidov umiestnených v cytoplazme. Pretože každá z báz v nukleotidoch môže pripojiť inú bázu, ktorá je len komplementárna k sebe, potom sa reprodukuje presná kópia "materskej" molekuly DNA. Inými slovami, každé vlákno DNA slúži ako templát a jeho zdvojenie sa nazýva syntéza matrice. Matricová syntéza pripomína odlievanie na matricu mincí, medailí, typografického typu a pod., pri ktorom musí byť tvrdený odliatok presnou kópiou pôvodnej formy. Preto v živých bunkách v dôsledku duplikácie majú nové molekuly DNA rovnakú štruktúru ako pôvodné: jeden reťazec bol pôvodný a druhý bol znovu poskladaný.

Keďže nové molekuly DNA majú rovnakú štruktúru ako pôvodné, v dcérskych bunkách sa zachováva rovnaká dedičná informácia. V prípade preskupenia alebo nahradenia nukleotidov inými, alebo ich úplnej straty v ktorejkoľvek oblasti DNA sa však výsledné skreslenie presne skopíruje do dcérskych molekúl DNA. . To je čo molekulárny mechanizmus variability: akékoľvek skreslenie dedičných informácií na úseku DNA v procese samokopírovania sa bude prenášať z bunky do bunky, z generácie na generáciu

Ďalšou dôležitou vlastnosťou molekúl DNA je schopnosť syntetizovať ribonukleové kyseliny v oddelených úsekoch odpojených reťazcov. Na to sa používajú a sú potrebné enzýmy (RNA polymeráza).

Plytvanie energiou. DNA prenáša svoju sekvenciu nukleotidov do vlákna RNA podľa princípu syntézy matrice. Tento proces sa nazýva prepis RNA je jednovláknová molekula, je oveľa kratšia ako DNA. Každý nukleotid v ňom pozostáva z päťatómového ribózového cukru, zvyškov kyseliny fosforečnej a dusíkatej bázy. Aj tu sú štyri: adenín, guanín, cytozín, ale namiesto tymínu je tu štruktúrou blízky uracil (U), komplementárny k adenínu.

Schéma štruktúry ribonukleotidu

Izolujte RNA informačný(mRNA), dopravy(tRNA) a ribozomálne(rRNA). Súčasne mRNA odstraňuje informácie z časti molekuly DNA a potom migruje do ribozómov umiestnených v cytoplazme bunky, zatiaľ čo tRNA dodáva aminokyselinové zvyšky do ribozómov. Reťazec tRNA je krátky a pozostáva len zo 70-80 nukleotidov. Jedna z tRNA sekcií obsahuje triplet, ku ktorému je pripojená jedna z 20 aminokyselín. Každá aminokyselina má svoju vlastnú tRNA. Pripojenie aminokyselín je aktivované špecifickým enzýmom, vďaka ktorému tRNA „rozpoznáva“ jednu alebo druhú aminokyselinu. Druhá oblasť tRNA má triplet komplementárny k jednému z tripletov mRNA; tento triplet na tRNA sa nazýva antikodón. Nakoniec aminokyselina zaujme svoje miesto v polypeptidovom reťazci v súlade s informáciou o mRNA, ktorá je rozpoznaná vďaka komplementarite antikodónu tRNA ku kodónu mRNA.

rRNA je súčasťou ribozómov, tvoriacich ribozomálne telieska s proteínmi, ktoré sú miestom syntézy proteínov. Tiež sa viaže s mRNA a tento komplex vykonáva syntézu proteínov.

Porovnávacie charakteristiky DNA a RNA(T.L. Bogdanova. Biológia. Zadania a cvičenia. Príručka pre uchádzačov o štúdium na vysokých školách. M., 1991)

Nukleové kyseliny hrajú dôležitú úlohu v bunke, zabezpečujú jej životne dôležitú aktivitu a reprodukciu. Tieto vlastnosti umožňujú nazvať ich druhými najdôležitejšími biologickými molekulami po proteínoch. Mnoho výskumníkov dokonca dáva DNA a RNA na prvé miesto, čo naznačuje ich hlavný význam pre vývoj života. Napriek tomu sú predurčené na druhé miesto po proteínoch, pretože základom života je práve molekula polypeptidu.

Nukleové kyseliny sú ďalšou úrovňou života, oveľa zložitejšou a zaujímavejšou vďaka skutočnosti, že každý druh molekuly pre ňu vykonáva špecifickú prácu. Toto by sa malo preskúmať podrobnejšie.

Koncept nukleových kyselín

Všetky nukleové a RNA) sú biologické heterogénne polyméry, ktoré sa líšia počtom reťazcov. DNA je dvojvláknová polymérna molekula, ktorá obsahuje genetickú informáciu eukaryotických organizmov. Kruhové molekuly DNA môžu obsahovať dedičnú informáciu niektorých vírusov. Ide o HIV a adenovírusy. Existujú aj 2 špeciálne typy DNA: mitochondriálna a plastidová (nachádzajú sa v chloroplastoch).

Na druhej strane RNA má oveľa viac typov v dôsledku rôznych funkcií nukleovej kyseliny. Existuje jadrová RNA, ktorá obsahuje dedičnú informáciu baktérií a väčšiny vírusov, matricu (alebo messenger RNA), ribozomálnu a transportnú. Všetky sa podieľajú buď na skladovaní alebo génovej expresii. Je však potrebné podrobnejšie pochopiť, aké funkcie vykonávajú nukleové kyseliny v bunke.

Dvojvláknová molekula DNA

Tento typ DNA je dokonalým úložným systémom pre dedičné informácie. Dvojvláknová molekula DNA je jedna molekula zložená z heterogénnych monomérov. Ich úlohou je vytvárať vodíkové väzby medzi nukleotidmi iného reťazca. Pozostáva z dusíkatej bázy, ortofosfátového zvyšku a päťuhlíkového monosacharidu deoxyribózy. V závislosti od toho, aký typ dusíkatej bázy je základom konkrétneho monoméru DNA, má svoj vlastný názov. Typy DNA monomérov:

• deoxyribóza s ortofosfátovým zvyškom a adenylovou dusíkatou bázou;
• tymidínová dusíkatá báza s deoxyribózou a ortofosfátovým zvyškom;
• cytozínová dusíkatá báza, deoxyribóza a ortofosfátový zvyšok;
• ortofosfát s deoxyribózou a dusíkatým zvyškom guanínu.

V písomnej forme, na zjednodušenie schémy, je adenylový zvyšok označený ako "A", guanínový zvyšok je označený ako "G", tymidínový zvyšok je "T" a cytozínový zvyšok je "C". Je dôležité, aby sa genetická informácia preniesla z molekuly dvojvláknovej DNA do messengerovej RNA. Má málo rozdielov: ako sacharidový zvyšok tu nie je deoxyribóza, ale ribóza a namiesto tymidylovej dusíkatej bázy sa v RNA nachádza uracil.

Štruktúra a funkcie DNA

DNA je postavená na princípe biologického polyméru, v ktorom je vopred vytvorený jeden reťazec podľa danej šablóny v závislosti od genetickej informácie rodičovskej bunky. Nukleotidy DNA sú tu spojené kovalentnými väzbami. Potom sú k nukleotidom jednovláknovej molekuly pripojené ďalšie nukleotidy. Ak v jednovláknovej molekule začiatok predstavuje nukleotid adenín, potom v druhom (komplementárnom) reťazci bude zodpovedať tymínu. Guanín je komplementárny k cytozínu. Takto sa vytvorí molekula dvojvláknovej DNA. Nachádza sa v jadre a uchováva dedičnú informáciu, ktorá je kódovaná kodónmi – tripletmi nukleotidov. Funkcie dvojvláknovej DNA:

• zachovanie dedičných informácií získaných z rodičovskej bunky;
• génová expresia;
• obštrukcia mutačných zmien.

Význam bielkovín a nukleových kyselín

Predpokladá sa, že funkcie proteínov a nukleových kyselín sú spoločné, a to: podieľajú sa na génovej expresii. Samotná nukleová kyselina je ich miestom uloženia a proteín je konečným výsledkom čítania informácií z génu. Samotný gén je úsek jednej integrálnej molekuly DNA, zabalený do chromozómu, v ktorom sú pomocou nukleotidov zaznamenané informácie o štruktúre určitého proteínu. Jeden gén kóduje sekvenciu aminokyselín iba jedného proteínu. Je to proteín, ktorý implementuje dedičnú informáciu.

Klasifikácia typov RNA

Funkcie nukleových kyselín v bunke sú veľmi rôznorodé. A tie sú najpočetnejšie v prípade RNA. Táto multifunkčnosť je však stále relatívna, pretože za jednu z funkcií zodpovedá jeden typ RNA. Existujú nasledujúce typy RNA:

• jadrová RNA vírusov a baktérií;
• matricová (informačná) RNA;
• ribozomálna RNA;
• messenger RNA plazmidov (chloroplastov);
• ribozomálna RNA chloroplastov;
• mitochondriálna ribozomálna RNA;
• mitochondriálna messenger RNA;
• transfer RNA.

RNA funkcie

Táto klasifikácia obsahuje niekoľko typov RNA, ktoré sa delia v závislosti od lokalizácie. Z funkčného hľadiska by sa však mali rozdeliť iba na 4 typy: jadrové, informačné, ribozomálne a transportné. Funkciou ribozomálnej RNA je syntéza proteínov založená na nukleotidovej sekvencii messengerovej RNA. V tomto prípade sú aminokyseliny "prinesené" do ribozomálnej RNA, "navlečené" na messenger RNA, pomocou transportnej ribonukleovej kyseliny. Takto prebieha syntéza v akomkoľvek organizme, ktorý má ribozómy. Štruktúra a funkcie nukleových kyselín zabezpečujú ochranu genetického materiálu a vytváranie procesov syntézy bielkovín.

Mitochondriálne nukleové kyseliny

Ak je takmer všetko známe o funkciách v bunke, ktoré vykonávajú nukleové kyseliny nachádzajúce sa v jadre alebo cytoplazme, potom je stále málo informácií o mitochondriálnej a plastidovej DNA. Boli tu nájdené aj špecifické ribozomálne a messengerové RNA. Nukleové kyseliny DNA a RNA sú tu prítomné aj v tých najautotrofnejších organizmoch.

Je možné, že nukleová kyselina vstúpila do bunky symbiogenézou. Túto cestu považujú vedci za najpravdepodobnejšiu z dôvodu nedostatku alternatívnych vysvetlení. Proces sa uvažuje takto: symbiotická autotrofná baktéria sa v určitom období dostala do bunky. Výsledkom je, že táto žije vo vnútri bunky a dodáva jej energiu, no postupne degraduje.

V počiatočných štádiách evolučného vývoja pravdepodobne symbiotická nejadrová baktéria riadila mutačné procesy v jadre hostiteľskej bunky. To umožnilo zaviesť gény zodpovedné za ukladanie informácií o štruktúre mitochondriálnych proteínov do nukleovej kyseliny hostiteľskej bunky. Zatiaľ však nie je veľa informácií o funkciách, ktoré v bunke vykonávajú nukleové kyseliny mitochondriálneho pôvodu.

Pravdepodobne sa niektoré proteíny syntetizujú v mitochondriách, ktorých štruktúra ešte nie je kódovaná jadrovou DNA alebo RNA hostiteľa. Je tiež pravdepodobné, že bunka potrebuje vlastný mechanizmus syntézy bielkovín len preto, že mnohé bielkoviny syntetizované v cytoplazme sa nedokážu dostať cez dvojitú membránu mitochondrií. Tieto organely zároveň produkujú energiu, a preto, ak existuje kanál alebo špecifický nosič pre proteín, bude to stačiť na pohyb molekúl a proti koncentračnému gradientu.

Plazmidová DNA a RNA

Plastidy (chloroplasty) majú tiež svoju vlastnú DNA, ktorá je pravdepodobne zodpovedná za realizáciu podobných funkcií, ako je to v prípade mitochondriálnych nukleových kyselín. Má tiež svoju vlastnú ribozomálnu, messengerovú a prenosovú RNA. Navyše plastidy, súdiac podľa počtu membrán, a nie podľa počtu biochemických reakcií, sú komplikovanejšie. Stáva sa, že veľa plastidov má 4 vrstvy membrán, čo vedci vysvetľujú rôznymi spôsobmi.

Jedna vec je jasná: funkcie nukleových kyselín v bunke ešte neboli úplne preskúmané. Nie je známe, aký význam majú mitochondriálny proteín-syntetizujúci systém a analogický chloroplastický systém. Nie je tiež úplne jasné, prečo bunky potrebujú mitochondriálne nukleové kyseliny, ak sú proteíny (samozrejme nie všetky) už zakódované v jadrovej DNA (alebo RNA, v závislosti od organizmu). Aj keď niektoré fakty nás nútia súhlasiť s tým, že systém mitochondrií a chloroplastov syntetizujúci proteíny je zodpovedný za rovnaké funkcie ako jadrová DNA a cytoplazmatická RNA. Uchovávajú dedičnú informáciu, reprodukujú ju a odovzdávajú dcérskym bunkám.

Zhrnutie

Je dôležité pochopiť, aké funkcie v bunke vykonávajú nukleové kyseliny jadrového, plastidového a mitochondriálneho pôvodu. Vede sa tým otvárajú mnohé vyhliadky, pretože symbiotický mechanizmus, podľa ktorého sa objavilo mnoho autotrofných organizmov, sa dnes dá reprodukovať. To umožní získať nový typ buniek, možno aj ľudský. Hoci je príliš skoro hovoriť o vyhliadkach na zavedenie multimembránových plastidových organel do buniek.

Oveľa dôležitejšie je pochopiť, že nukleové kyseliny sú zodpovedné za takmer všetky procesy v bunke. Ide o uchovanie informácií o štruktúre bunky. Okrem toho je oveľa dôležitejšie, aby nukleové kyseliny vykonávali funkciu prenosu dedičného materiálu z rodičovských buniek do dcérskych buniek. To zaručuje ďalší vývoj evolučných procesov.

Pred viac ako sto rokmi (v roku 1869) Friedrich Miescher pri štúdiu buniek hnisu izoloval z jadier týchto buniek nový typ chemických zlúčenín, ktoré súhrnne nazval „nukleín“. Tieto látky, neskôr nazývané nukleové kyseliny, boli kyslé, nezvyčajne bohaté na fosfor a obsahovali aj uhlík, kyslík, vodík a dusík. Ich následná štúdia ukázala, že existujú dva typy nukleových kyselín: kyselina deoxyribonukleová (DNA) a kyselina ribonukleová (RNA), ktoré sú neoddeliteľnou súčasťou komplexných proteínov – nukleoproteínov obsiahnutých vo všetkých bunkách živočíchov, baktérií, vírusov, rastlín.

Nukleoproteíny [resp. deoxyribonukleoproteíny (DNP) a ribonukleoproteíny (RNP)] sa navzájom líšia zložením, veľkosťou a fyzikálno-chemickými vlastnosťami. Názvy nukleoproteínov odrážajú iba povahu sacharidovej zložky (pentózy), ktorá je súčasťou nukleových kyselín. V RNP je sacharid reprezentovaný ribózou, v DNP je reprezentovaný deoxyribózou. Názov „nukleoproteíny“ je spojený s názvom bunkového jadra, kde boli prvýkrát objavené. Teraz sa však zistilo, že DNP a RNP sú obsiahnuté aj v iných subcelulárnych štruktúrach. V tomto prípade sú DNP prevažne lokalizované v jadre a RNP - v cytoplazme. Zároveň boli v mitochondriách objavené DNP a v jadrách a jadierkach sa našli aj RNP s vysokou molekulovou hmotnosťou.

Chemické zloženie nukleových kyselín

Izolácia nukleových kyselín z ich komplexu s proteínmi a ich následná úplná hydrolýza umožnila určiť chemické zloženie nukleových kyselín. V hydrolyzáte sa teda počas úplnej hydrolýzy našli purínové a pyrimidínové zásady, sacharidy (ribóza a deoxyribóza) a kyselina fosforečná.

Dusíkaté zásady (N-zásady)

Štruktúra purínových a pyrimidínových báz je založená na dvoch aromatických heterocyklických zlúčeninách – puríne a pyrimidíne. Molekula perimidínu obsahuje jeden heterocyklus. Purínová molekula pozostáva z dvoch kondenzovaných kruhov: pyrimidínu a imidazolu.

Dávaj pozor!Číslovanie atómov v aromatickom kruhu dusíkatých zásad sa vykonáva arabskými číslicami bez prvočísla ["]. Symbol ["] (vyslovuje sa ako "stroke" alebo "prim") znamená, že zodpovedajúce číslo vymenúva atómy pentózový kruh, napríklad 1" (pozri nižšie).

Nukleové kyseliny obsahujú tri hlavné pyrimidínové bázy: cytozín (C), uracil (U) a tymín (T):

a dva puríny - adenín (A) a guanín (G)

Jednou z dôležitých vlastností dusíkatých zásad (obsahujúcich hydroxylové skupiny) je možnosť ich existencie v dvoch tautomérnych formách, najmä vo forme laktímu a laktámu, v závislosti od hodnoty pH média. Tautomérne transformácie môžu byť reprezentované príkladom uracilu.

Ukázalo sa, že v zložení nukleových kyselín sú všetky hydroxyderiváty purínov a pyrimidínov v laktámovej forme.

Okrem hlavných zásad boli v zložení nukleových kyselín objavené vzácne (vedľajšie) dusíkaté zásady. Menšie bázy sa nachádzajú prevažne v transferových RNA, kde sa ich zoznam blíži k 50, v stopových množstvách v ribozomálnych RNA a v DNA. V transferových RNA tvoria minoritné bázy až 10 % všetkých nukleotidov, čo má samozrejme dôležitý fyziologický význam (ochrana molekuly RNA pred pôsobením hydrolytických enzýmov). Menšie bázy zahŕňajú dodatočne metylované purínové a pyrimidínové bázy, napríklad 2-metyladenín, 1-metylguanín, 5-metylcytozín, 5-hydroxymetylcytozín atď.

Sacharidy

Sacharidy (pentózy) v nukleových kyselinách predstavujú ribóza a 2-deoxyribóza, ktoré sú vo forme β-D-ribofuranózy (vzorce vľavo).

V zložení nejakej fágovej DNA sa našla molekula glukózy, ktorá je glykozidickou väzbou spojená s 5-hydroxymetylcytozínom.

Konformácia sacharidového kruhu (pentóza)

Pre sacharidový cyklus (pentózu) nukleových kyselín je energeticky nevýhodná rovinná konformácia, keď sú atómy uhlíka C1", C2", C3", C4" a kyslíkový heteroatóm v rovnakej rovine. Spomedzi mnohých teoreticky možných konformácií týchto zvyškov sú len dve realizované v polynukleotidoch: buď C2'-endokonformácie alebo C3'-endokonformácie. Tieto konformácie vznikajú pri rotácii okolo väzby C4, čo vedie k takému skresleniu kruhu, pri ktorom je jeden z atómov pentózy (päťčlenný furanózový kruh) mimo roviny vytvorenej ďalšími štyrmi atómami. konformácia je endo- alebo exo-štruktúra, v závislosti od toho, či je daný atóm umiestnený na tej istej strane roviny ako C5" alebo na opačnej strane.

Látky, v ktorých sú dusíkaté zásady spojené s pentózou, sa nazývajú nukleozidy (obr. 2).

Nukleozidy sú N-glykozidy. V nich sú pyrimidínové dusíkaté bázy (jeden heterocyklus) spojené s pentózou glykozidickou väzbou cez N-1, purín cez N-9. V závislosti od typu pentózy sa rozlišujú dva typy nukleozidov - deoxyribonukleozidy obsahujúce 2-deoxyribózu a ribonukleozidy obsahujúce ribózu.

Deoxyribonukleozidy sa nachádzajú iba v DNA, zatiaľ čo ribonukleozidy sa nachádzajú iba v RNA. Pyrimidínové a purínové nukleozidy obsahujú zodpovedajúce dusíkaté zásady:

Okrem hlavných existujú vedľajšie nukleozidy, ktoré zahŕňajú vedľajšie dusíkaté zásady. Väčšina minoritných nukleozidov sa nachádza v tRNA. Najbežnejšie minoritné nukleozidy nachádzajúce sa vo všetkých tRNA sú dihydrouridín, pseudouridín (skrátený ako Ψ) a ribotymidín. Pseudouridínu chýba obvyklá N-glykozidická väzba. V ňom je atóm C-1 ribózy spojený s atómom C-5 uracilu.

Kvôli stérickým dôvodom môžu purínové bázy v zložení purínových nukleotidov v DNA zaujať iba dve stéricky dostupné konformácie vzhľadom na deoxyribózový zvyšok, označované ako syn-konformácie a anti-konformácie.

Súčasne sú v DNA prítomné pyrimidínové bázy pyrimidínových nukleotidov vo forme anti-konformérov, čo je spojené so stérickými nesúladmi, ktoré vznikajú medzi sacharidovou časťou nukleotidu a karbonylovým kyslíkom v polohe C-2 pyrimidínu. . Z tohto dôvodu získavajú pyrimidínové bázy hlavne anti-konformáciu (Nelson D.L., Cox M.M., Lehninger Principles of Biochemistry, W.H. Freeman (ed.), San Francisco, 2004).

Nukleotidy sú zlúčeniny zodpovedajúceho typu nukleozidu s kyselinou fosforečnou. Delia sa tiež na ribonukleotidy obsahujúce ribózu a deoxyribonukleotidy obsahujúce 2-deoxyribózu. Názov nukleotidu pochádza z typu dusíkatej bázy a počtu zvyškov kyseliny fosforečnej. Ak existuje jeden zvyšok kyseliny fosforečnej - nukleozidmonofosfát (napríklad dAMP - deoxyadenozínmonofosfát), dva zvyšky - nukleoziddifosfát (napríklad dADP - deoxyadenozíndifosfát), tri zvyšky - nukleozidtrifosfát (napríklad dATP - deoxyadenozíntrifosfát). Zvyšky kyseliny fosforečnej sa viažu na 5" uhlík deoxyribózy a sú označené ako a, β, y.

Nižšie je uvedená štruktúra adenylových nukleotidov.

Fosfát sa môže pripojiť na rôzne pozície pentózového kruhu (v ribonukleotidoch - v pozíciách 2", 3", 5", v deoxyribonukleotidoch - v pozíciách 3", 5"). Voľné nukleotidy v bunke obsahujú fosfátovú skupinu v polohe 5 ". Nukleozid-5"-fosfáty sa podieľajú na biologickej syntéze nukleových kyselín a vznikajú počas ich rozpadu. Keďže nukleozid-5"-fosfáty alebo mononukleotidy sú deriváty zodpovedajúcich nukleozidov, rozlišujú sa rovnaké hlavné a vzácne ribomononukleotidy a deoxyribomononukleotidy .

Predĺženie fosfátového konca mononukleotidu pridaním ďalších fosfátov vedie k tvorbe nukleozidových polyfosfátov. V bunkách sa najčastejšie nachádzajú nukleoziddifosfáty a nukleozidtrifosfáty. Nasledujú názvy a skratky nukleozidových fosfátov:

Všetky nukleozidové fosfáty sú v bunke vo forme aniónov, preto sú adenozínfosfáty správnejšie označované ako AMP 2-, ADP 3-, ATP 4-. ADP a ATP sú makroergické, teda energeticky bohaté zlúčeniny, ktorých chemickú energiu telo využíva na rôzne funkcie. Zvyšné nukleozidové di- a trifosfáty sa tiež podieľajú na reakciách syntézy biologických látok.

Medzinárodné štandardné skratky

Štúdie nukleových kyselín používajú schémy číslovania atómov a skratiek odporúčaných Komisiou Medzinárodnej únie všeobecnej a aplikovanej chémie (IUPAC) a Medzinárodnej únie biochemikov (IUB). Podvýbor IUPAC-IUB vypracoval jednotné štandardné definície (IUPAC-IUB, 1983).

Skratky a symboly používané pre bázy, nukleozidy a nukleotidy (Arnott S., 1970).

Na obr.5. je uvedený systém číslovania atómov prijatý pre nukleotidy. Symboly označujúce atómy cukru sú odlíšené od symbolov pre základné atómy symbolom pomlčky. Chrbtica polynukleotidu je opísaná v smere P -> O5" -> C5" -> C4" -> C3" -> O3" -> P.

V cukrovom krúžku je číslovanie: C1" -> C2" -> C3" -> C4" -> O4" -> C5".

Dva atómy vodíka na atóme C5" a C2" v deoxyribóze, ako aj dva voľné atómy kyslíka na atómoch fosforu, sú označené číslami 1 a 2, a to takto: ak sa pozriete pozdĺž reťazca v smer O5 "-> C5", potom v smere hodinových ručičiek, budeme postupne míňať atómy C4", H5"1, H5"2. Podobne, ak sa pozrieme pozdĺž reťazca v smere O3" -> P - O5", potom pri pohybe v smere hodinových ručičiek budeme postupne míňať atómy O5", Op1, Op2.

Všeobecná charakteristika nukleových kyselín

Nukleové kyseliny alebo polynukleotidy sú makromolekulárne látky pozostávajúce z mononukleotidov spojených do reťazca pomocou 3,5"-fosfodiesterových väzieb..

Celkový obsah DNA a RNA v bunkách závisí od ich funkčného stavu. V spermiách dosahuje množstvo DNA 60% (v sušine buniek), vo väčšine buniek 1-10 a vo svaloch asi 0,2%. Obsah RNA je zvyčajne 5-10 krát väčší ako obsah DNA. Pomer RNA/DNA v pečeni, pankrease, embryonálnych tkanivách a vo všeobecnosti v tkanivách aktívne syntetizujúcich proteín sa pohybuje od 4 do 10. V tkanivách so strednou syntézou proteínov sa pomer pohybuje od 0,3 do 2,5. Vírusy zaujímajú osobitné miesto. Ako genetický materiál môžu mať buď DNA (DNA vírusy) alebo RNA (RNA vírusy).

V bakteriálnych bunkách, ktoré nemajú jadro (prokaryoty), sa molekula DNA (chromozóm) nachádza v špeciálnej zóne cytoplazmy – nukleoide. Ak je spojená s bunkovou membránou baktérie, potom sa nazýva mezozóm. Menší fragment DNA sa nachádza mimo tejto chromozomálnej zóny. Takéto segmenty DNA v baktériách sa nazývajú plazmidy alebo epizómy. V bunkách s jadrom (eukaryoty) je DNA rozdelená medzi jadro, kde je súčasťou chromozómov a jadierka, a mimojadrové organely (mitochondrie a chloroplasty). Existujú pozorovania, že v mikrozómoch sú prítomné veľmi malé množstvá DNA.

Približne 1-3% bunkovej DNA je extranukleárna DNA a zvyšok je sústredený v jadre. To znamená, že dedičné vlastnosti sú charakteristické nielen pre jadro, ale aj pre mitochondrie a chloroplasty buniek. Zrelé vajíčka sa vyznačujú nezvyčajne vysokým obsahom mimojadrovej DNA, v ktorej je prítomná v početných mitochondriách a žĺtkových lamelách a v tých druhých nejde o genetický materiál, ale o rezervu nukleotidov.

RNA je v bunke distribuovaná rovnomernejšie ako DNA. Už len táto okolnosť naznačuje, že funkcia RNA je dynamickejšia a rôznorodejšia. V bunkách vyšších organizmov sa asi 11 % všetkej RNA nachádza v jadre, asi 15 % v mitochondriách, 50 % v ribozómoch a 24 % v hyaloplazme.

Molekulová hmotnosť DNA závisí od stupňa zložitosti živého objektu: u baktérií je 2 10 9, u ľudí a zvierat dosahuje 10 11. V baktériách je DNA vo forme jednej obrovskej molekuly, ktorá je slabo spojená s proteínmi. V iných objektoch je DNA obklopená proteínmi alebo jednoduchými amínmi. Vo vírusoch sú to najjednoduchšie základné bielkoviny alebo polyamíny (putrescín a spermidín), ktoré neutralizujú negatívny náboj molekuly DNA väzbou na jej fosfátové skupiny. V spermiách niektorých zvierat a rýb tvorí DNA komplexy s protamínmi a proteínmi podobnými histónom. V chromozómoch ľudských buniek a iných vyšších organizmov je DNA spojená s histónmi a nehistónovými proteínmi. Takéto komplexy proteín-DNA sa nazývajú deoxyribonukleoproteíny (DNP).

RNA má oveľa nižšiu molekulovú hmotnosť ako DNA. V závislosti od vykonávanej funkcie, molekulovej hmotnosti a zloženia nukleotidov sa rozlišujú tieto hlavné typy RNA: informačná alebo templátová (mRNA), transportná (tRNA) a ribozomálna (rRNA). Rôzne rRNA sa líšia molekulovou hmotnosťou (tabuľka 13). Okrem troch hlavných typov existujú minoritné alebo zriedkavé RNA, ktorých obsah v bunke je zanedbateľný a ich funkcie sa len skúmajú.

Väčšina typov RNA je spojená s rôznymi proteínmi v bunke. Takéto komplexy sa nazývajú ribonukleoproteíny (RNP). Charakterizácia nukleových kyselín je zhrnutá v tabuľke. jeden.

Fyzikálno-chemické vlastnosti nukleových kyselín

Fyzikálno-chemické vlastnosti nukleových kyselín sú určené ich vysokou molekulovou hmotnosťou a úrovňou štruktúrnej organizácie. Nukleové kyseliny sa vyznačujú: koloidnými a osmotickými vlastnosťami, vysokou viskozitou a hustotou roztokov, optickými vlastnosťami a schopnosťou denaturácie.

Koloidné vlastnosti sú typické pre všetky makromolekulové zlúčeniny. Keď sa rozpustia, nukleové kyseliny napučiavajú a tvoria viskózne roztoky, ako sú koloidy. Ich hydrofilnosť závisí najmä od fosforečnanov. V roztoku majú molekuly nukleovej kyseliny formu polyaniónu s výraznými kyslými vlastnosťami. Pri fyziologických hodnotách pH sú všetky nukleové kyseliny polyanióny a sú obklopené protiiónmi z proteínov a anorganických katiónov. Rozpustnosť dvojvláknových nukleových kyselín je horšia ako rozpustnosť jednovláknových nukleových kyselín.

Denaturácia a renaturácia. Denaturácia je vlastnosť vlastná tým makromolekulám, ktoré majú priestorovú organizáciu. Denaturácia je spôsobená zahrievaním, vystavením chemikáliám, ktoré rušia vodíkové a van der Waalsove väzby, ktoré stabilizujú sekundárnu a terciárnu štruktúru nukleových kyselín. Napríklad zahrievanie DNA vedie k rozdeleniu dvojitej špirály na jednoduché vlákna, t.j. pozoruje sa prechod "helix-coil". Pri pomalom ochladzovaní sa reťazce opäť spoja podľa princípu komplementarity. Vytvorí sa natívna dvojzávitnica DNA. Tento jav sa nazýva renaturácia. Pri rýchlom ochladení nedochádza k renaturácii.

Charakteristická je zmena optickej aktivity nukleových kyselín, ktorá sprevádza ich denaturáciu a renaturáciu. Skrutkovité (organizované) úseky nukleových kyselín otáčajú rovinu polarizovaného svetla, t.j. sú opticky aktívne, a deštrukcia závitnicových úsekov ruší optickú aktivitu nukleových kyselín.

Všetky nukleové kyseliny majú maximálnu optickú hustotu pri vlnovej dĺžke asi 260 nm, čo zodpovedá absorpčnému maximu dusíkatých zásad. Rýchlosť absorpcie prirodzenej nukleovej kyseliny je však oveľa nižšia ako u zmesi jej vlastných nukleotidov, získaných napríklad hydrolýzou tejto nukleovej kyseliny alebo jednotlivých vlákien. Dôvodom je štruktúrna organizácia DNA a RNA, ktorá spôsobuje klasický efekt – pokles optickej hustoty. Tento jav sa nazýva hypochrómny efekt. Maximálne sa prejavuje v nukleových kyselinách, ktoré majú špirálové štruktúry (napríklad DNA) a obsahujú veľa HC párov (HC páry majú tri vodíkové väzby, a preto je ťažšie ich rozbiť).

Molekulárna hybridizácia nukleových kyselín. Mimoriadne dôležitá metóda na určenie stupňa homológie alebo príbuznosti nukleových kyselín je založená na schopnosti nukleových kyselín renaturovať po denaturácii. Nazýva sa to molekulárna hybridizácia. Je založená na komplementárnom párovaní jednovláknových oblastí nukleových kyselín.

Táto metóda umožnila odhaliť znaky primárnej štruktúry DNA. Ukazuje sa, že v DNA zvierat sa opakovane (až 100 000-krát) opakujú úseky s rovnakou nukleotidovou sekvenciou. Tvoria až 10-20% všetkej DNA. Ich hybridizácia prebieha veľmi rýchlo. Zvyšok DNA predstavujú jedinečné sekvencie, ktoré nie sú duplikované. Tieto úseky DNA hybridizujú veľmi pomaly. Pravdepodobnosť ich zhody v rôznych organizmoch je malá. Pomocou metódy molekulárnej hybridizácie je možné stanoviť homológiu DNA organizmu jedného typu DNA iného druhu alebo homológiu RNA k segmentom DNA.

Nukleové kyseliny a taxonómia organizmov

Nukleové kyseliny sú materiálnym nosičom dedičnej informácie a určujú druhovú špecifickosť organizmu, ktorý sa vyvinul v priebehu evolúcie. Štúdium znakov nukleotidového zloženia DNA rôznych organizmov umožnilo prejsť od systematiky podľa vonkajších znakov ku genetickej systematike. Tento smer v molekulárnej biológii sa nazýva génová systematika. Jeho zakladateľom bol vynikajúci sovietsky biochemik A. N. Belozersky.

Porovnanie nukleotidového zloženia DNA rôznych organizmov viedlo k zaujímavým záverom. Ukázalo sa, že koeficient špecifickosti DNA, t. j. pomer G + C k A + T, sa u mikroorganizmov značne líši a u vyšších rastlín a živočíchov je pomerne konštantný. U mikroorganizmov sa pozoruje kolísanie variability od extrémneho typu HC k výraznému typu AT. DNA vyšších organizmov si vytrvalo zachováva AT-typ. Niekto by mohol mať dojem, že špecifickosť DNA sa vo vyšších organizmoch stráca. V skutočnosti je u nich rovnako špecifický ako v baktériách, no jeho špecifickosť nie je daná ani tak variabilitou zloženia nukleotidov, ako postupnosťou ich striedania pozdĺž reťazca. Zaujímavé závery na základe nukleotidového zloženia DNA urobili A. N. Belozersky a jeho študenti ohľadom pôvodu mnohobunkových živočíchov a vyšších rastlín. Ich DNA typu AT je najbližšie k DNA húb, takže zvieratá a huby očividne sledujú svoj pôvod od spoločného predka – extrémne primitívnych organizmov podobných hubám.

Ešte viac informácií o príbuznosti organizmov poskytuje metóda molekulárnej hybridizácie. Pomocou tejto metódy bola stanovená vysoká homológia ľudskej a opičej DNA. Navyše z hľadiska zloženia ľudskej DNA sa líši len o 2-3% od DNA šimpanza, o niečo viac od DNA gorily, o viac ako 10% od DNA iných opíc a od bakteriálnej DNA takmer o 100%. . Znaky primárnej štruktúry DNA môžu byť tiež použité v taxonómii. Homológia v oblastiach opakujúcich sa sekvencií (rýchla hybridizácia) sa používa pre makrosystematiku a pre jedinečné fragmenty DNA (pomalá hybridizácia) - pre mikrosystematiku (na úrovni druhov a rodov). Vedci veria, že postupne bude možné z DNA postaviť celý genealogický strom živého sveta.

Čo vieme o nukleových kyselinách?

Nukleové kyseliny boli objavené v druhej polovici 19. storočia. Švajčiarsky biochemik F. Miescher, ktorý z jadier buniek izoloval látku s vysokým obsahom dusíka a fosforu a nazval ju „nukleín“ ( z lat. nucleos – jadro).
Nukleové kyseliny uchovávajú dedičné informácie o štruktúre a fungovaní každej bunky a všetkých živých bytostí na Zemi.

Existujú dva typy nukleových kyselín - DNA(kyselina deoxyribonukleová) a RNA(ribonukleová kyselina).

Nukleové kyseliny, podobne ako proteíny, sú druhovo špecifické, to znamená, že organizmy každého druhu majú svoj vlastný typ DNA. Ak chcete zistiť dôvody druhovej špecifickosti, zvážte štruktúru nukleových kyselín.

Molekuly nukleových kyselín sú veľmi dlhé reťazce pozostávajúce z mnohých stoviek a dokonca miliónov nukleotidov. Každá nukleová kyselina obsahuje iba štyri typy nukleotidov. Funkcie molekúl nukleových kyselín závisia od ich štruktúry, ich základných nukleotidov, ich počtu v reťazci a sekvencie zlúčeniny v molekule.

Každý nukleotid sa skladá z troch zložiek: dusíkatej bázy, sacharidu a kyseliny fosforečnej. Každý nukleotid DNA obsahuje jednu zo štyroch typov dusíkatých báz (adenín - A, tymín - T, guanín - G alebo cytozín - C), ako aj uhľohydrát deoxyribózy a zvyšok kyseliny fosforečnej.

DNA nukleotidy sa teda líšia len typom dusíkatej bázy.
Molekula DNA pozostáva z obrovského množstva nukleotidov spojených do reťazca v určitej sekvencii. Každý typ molekuly DNA má svoj vlastný počet a sekvenciu nukleotidov.

Molekuly DNA sú veľmi dlhé. Napríklad doslovný záznam nukleotidovej sekvencie v molekulách DNA z jednej ľudskej bunky (46 chromozómov) by vyžadoval knihu s približne 820 000 stranami.

Striedanie štyroch typov nukleotidov môže vytvárať nekonečné množstvo variantov molekúl DNA. Tieto vlastnosti štruktúry molekúl DNA im umožňujú uchovávať obrovské množstvo informácií o všetkých znakoch organizmov.

V roku 1953 americký biológ J. Watson a anglický fyzik F. Crick vytvorili model štruktúry molekuly DNA. Vedci zistili, že každá molekula DNA pozostáva z dvoch vlákien spojených 1000 a špirálovito stočených. Vyzerá to ako dvojitá špirála. V každom reťazci sa v špecifickej sekvencii striedajú štyri typy nukleotidov.

Nukleotidové zloženie DNA sa líši v rôznych typoch baktérií, húb, rastlín a zvierat. Ale vekom sa to nemení, málo závisí od zmien prostredia. Nukleotidy sú párované, to znamená, že počet adenylových nukleotidov v ktorejkoľvek molekule DNA sa rovná počtu tymidylových nukleotidov (A-T) a počet cytidylových nukleotidov sa rovná počtu guanylových nukleotidov (C-G). Je to spôsobené tým, že spojenie dvoch reťazcov v molekule DNA sa riadi určitým pravidlom, a to: adenín jedného reťazca je vždy spojený dvoma vodíkovými väzbami iba s tymínom druhého reťazca a guanín tromi vodíkmi. väzby s cytozínom, to znamená, že nukleotidové reťazce jednej molekuly DNA sú komplementárne, navzájom sa dopĺňajú.
DNA obsahuje všetky baktérie, prevažnú väčšinu vírusov. Nachádza sa v jadrách buniek zvierat, húb a rastlín, ako aj v