Дезоксирибонуклеїнова кислота
Нуклеотиди
Нуклеотид – мономер нуклеїнових кислот. Молекула нуклеотиду складається з трьох частин: азотистої основи, п'ятивуглецевого цукру (пентози) та фосфорної кислоти (рис. 270).
Склад нуклеотидів
Азотисті основи
Азотисті основи є головною частиною нуклеотиду. Вони мають циклічну структуру, до складу якої поряд із атомами вуглецю входять атоми інших елементів, зокрема азоту. За присутність у цих сполуках атомів азоту вони і отримали назву азотистих, а оскільки вони мають лужні властивості — основ.
Азотисті основи нуклеїнових кислот відносяться до класівпіримідинівіпуринів.
Піримидинові основи є похідними гетероциклічної сполуки - піримідину, що має у складі своєї молекули одне кільце. До найпоширеніших піримідинових основ відносятьсяурацил,тимін,цитозин.
Пуринові основи є похідними біциклічного гетероциклу - пурину, що має два кільця: шестичленний і п'ятичленний.
До пуринових основ відносятьсяаденінігуанін.
У всіх клітинах - прокаріотичних та еукаріотичних - до складу нуклеїнових кислот входять ці п'ять основних азотистих основ.
П'ятивуглецевий цукор
Крім азотистих основ в утворенні нуклеотидів беруть участь вуглеводний компонент, який представлений двома подібними моносахаридами: рибозою або дезоксирибозою, що належать до пентоз.
Фосфорна кислота
Третім компонентом нуклеотидів є залишок фосфорної кислоти фосфат. Саме наявність фосфату надає нуклеїнових кислот властивостей кислот. У полінуклеотидному ланцюгу відіграє роль сполучної ланки – може утворювати іоннізв'язки з основними білками (гістонами та протамінами).
Мал. 270. Компоненти нуклеотидів: 1 - п'ятивуглецевий цукор; 2 - азотисті основи; 3 - фосфорна кислота.
Утворення нуклеотидів
Як зазначалося раніше, нуклеотиди є мономерами нуклеїнових кислот. Біосинтез нуклеотидів є першим етапом біосинтезу нуклеїнових кислот. Вони їхні безпосередні попередники.
Утворення нуклеотиду відбувається у два етапи. На першому етапі в результаті реакції конденсації утворюється нуклеозид - комплекс азотистої основи з цукром. З другого краю етапі нуклеозид піддається фосфорилированию. При цьому між залишком цукру та фосфорною кислотою виникає фосфоефірний зв'язок. Таким чином, нуклеотид являє собою нуклеозид, з'єднаний із залишком фосфорної кислоти (рис. 271).
Утворення ді- та полінуклеотидів
Динуклеотид є сполукою, що складається з залишків двох нуклеотидів. При конденсації двох нуклеотидів між 3'-вуглецем залишку цукру одного нуклеотиду та залишком фосфорної кислоти іншого виникає складноефірний зв'язок. Таким чином, залишки цукрів двох нуклеотидів виявляються пов'язані фосфодіефірним містком (рис. 272).
Виникнення фосфодіефірних містків між 3' і 5'-вуглецями залишків цукрів може відбуватися багаторазово. В результаті утворюються нерозгалужені полінуклеотидні ланцюги. Один кінець полінуклеотидного ланцюга закінчується 5'-вуглецем (його називають 5'-кінцем), інший -3'-вуглецем (3'-кінцем).
Мал. 271. Утворення нуклеотиду.
Назви та види нуклеотидів
Назви нуклеотидів відрізняються від назв відповідних підстав. І ті, й інші прийнято позначати великими літерами:
Таблиця 6. Види нуклеотидів:
Функції нуклеотидів
Нуклеотиди є мономерами, з яких побудовано полімерні ланцюги нуклеїнових кислот, вони входять до складу важливих коферментів (НАД, НАДФ, ФАД, КоА).
Полінуклеотиди
Залежно від вуглеводного компонента нуклеотидів, розрізняють два класи нуклеїнових кислот:
рибонуклеїнові кислоти (РНК), що містять рибозу;
дезоксирибонуклеїнові кислоти (ДНК), що містять дезоксирибозу.
Нуклеотиди ДНК називають дезоксирибонуклеотидами, РНК – рибонуклеотидами.
Дезоксирибонуклеїнова кислота
Молекули ДНК є полімерами, мономерами яких є дезоксирибонуклеотиди, утворені:
- залишком п'ятивуглецевого цукру - дезоксирибози;
- залишком однієї з азотистих основ:
1. пуринових - аденіну, гуаніну;
2. піримідинових - тиміну, цитозину;
- залишком фосфорної кислоти.
Зміст ДНК у клітині суворо постійно. У еукаріотів ДНК в основному знаходиться в ядрі (де утворює хромосоми (нуклеопротеїди), що складаються з ДНК і білків), але в мітохондріях і пластидах також є власна ДНК. У прокаріотів ДНК розташована в цитоплазмі. Під час інтерфази ДНК входить до складу хроматину.
Структура молекули ДНК
ДНК є правозакрученою подвійну спіраль. При поєднанні ДНК із певними білками – гістонами – ступінь спіралізації молекули підвищується – виникає суперспіраль ДНК, товщина якої суттєво зростає, а довжина скорочується. Таку молекулу, ретельно «упаковану» білками, можна спостерігати у світловий мікроскоп під час поділу клітин у вигляді витягнутого тільця, що хоро забарвлюється, – хромосми. Її молекула утворена двома полінуклеотидними ланцюгами, спірально закрученими один біля одного, таразом навколо уявної осі (рис. 273). Кожен нуклеотид розташований у площині перпендикулярної осі спіралі. Нуклеотиди в ланцюзі ДНК з'єднуються між собою через залишки ортофосфорної кислоти, утворюючи фосфодіефірний зв'язок. Ланцюги ДНК антипаралельні (різноспрямовані), тобто проти 3'-кінця одного ланцюга знаходиться 5'-кінець іншого. На периферію молекули звернений сахаро-фосфатний кістяк, утворений залишками дезоксирибози, що чергуються, і фосфатними групами. Всередину молекули звернені азотисті основи.
Ядерна ДНК представлена незамкнутими молекулами. ДНК мітохондрій, пластид та прокаріот має кільцеву форму.
Діаметр подвійної спіралі ДНК – 2 нм, крок загальної спіралі, на який припадає 10 пар нуклеотидів – 3,4 нм. Довжина молекули – до кількох десятків і навіть сотень мікрометрів. Молекулярна вага становить десятки та сотні мільйонів (для подвійної спіралі). У ядрі клітини людини загальна довжина ДНК близько 2м.
Тривимірна модель просторової будови молекули ДНК у вигляді подвійної спіралі була запропонована в 1953 р. американським біологом Дж. Уотсоном та англійським фізиком Ф. Кріком (рис. 274). За свої дослідження вони були удостоєні Нобелівської премії.
Полінуклеотидні ланцюги в молекулі ДНК утримуються один біля одного завдяки виникненню водневих зв'язків між азотистими основами. Спарювання нуклеотидів не випадково, в його основі лежить принцип комплементарної взаємодії пар основ: проти аденіну одного ланцюга завжди розташовується тімін на іншому ланцюгу, а проти гуаніну одного ланцюга - завжди цитозин інший, тобто аденін комплементарний тиміну, а гуанін - цитозину (рис. 275 ).Комплементарністюназивають здатність нуклеотидів до вибіркового з'єднання один з одним.
Мал. 275. Спарювання азотистих основ.
- взаємодоповненням просторових конфігурацій молекул азотистих основ;
- кількістю водневих зв'язків, що виникають між азотистими основами (три водневі зв'язки між гуаніном і цитозином і два водневі зв'язки між аденіном та тиміном).
Комплементарність пуринових та піримідинових азотистих основ забезпечує однакову по всій довжині подвійної спіралі відстань між ланцюгами.
А = Т; Г = Ц або - - = 1
Дж. Вотсон і Ф. Крік скористалися цим правилом при побудові моделі молекули ДНК.
Послідовність нуклеотидів одного ланцюга визначає послідовність нуклеотидів іншого, тому два ланцюги молекули ДНК є комплементарними один одному.
Самоподвоєння молекули ДНК
Однією з унікальних властивостей молекули ДНК є її здатність до самоподвоєння – відтворення точних копій вихідної молекули. Завдяки цій здатності молекули ДНК здійснюється передача спадкової інформації від материнської клітини дочірнім під час поділу. Процес самоподвоєння молекули ДНК називаютьреплікацією.
Реплікація - складний процес, що йде за участю ферментів (ДНК-полімераз) (рис. 276). Реплікація здійснюється напівконсервативним способом, тобто під дією ферментів молекула ДНК розкручується і біля кожного ланцюга, що виступає в ролі матриці, за принципом комплементарності добудовується новий ланцюг. Таким чином, у кожній дочірній ДНК один ланцюг є материнським, а другий — знову синтезованим. Розкручування молекули відбувається на невеликому відрізку (кілька десятків нуклеотидів), званомуреплікативною вилкою. Після закінчення синтезу дочірніх ланцюгів ДНК на даній ділянці та з'єднання їх з материнськими розкручується новий відрізок, і цикл реплікації повторюється. Таким чином,реплікативна вилка переміщається вздовж молекули, доки не дійде до точки закінчення синтезу.
У материнській ДНК ланцюги антипаралельні. ДНК-полімерази здатні рухатися в одному напрямку - від 3'-кінця до 5'-кінця, будуючи дочірній ланцюг антипаралельно - від 5' до 3'-кінця. Тому ДНК-полімераза пересувається у напрямку 3'→5' по одному ланцюгу (3'-5'), синтезуючи дочірню. Цей ланцюг називається лідируючим. Інша ДНК-полімераза рухається по іншому ланцюгу (5'-3') у зворотний бік (теж у напрямку 3'→5'), синтезуючи другий дочірній ланцюг фрагментами (їх називають фрагменти Оказаки), які після завершення реплікації зшиваються в єдиний ланцюг. Цей ланцюг називається відстаючим. Таким чином, на ланцюзі 3'-5' реплікація йде безперервно, а на ланцюзі 5'-3' - уривчасто.
Під час реплікації енергія молекул АТФ не витрачається, оскільки для синтезу дочірніх ланцюгів при реплікації використовуються не дезоксирибонуклеотиди (містять один залишок фосфорної кислоти), а дезоксирибонуклеозидтрифосфати (містять три залишки фосфорної кислоти). При включенні дезоксирибонуклеозидтрифосфатів у полінуклеотидний ланцюг два кінцеві залишки відщеплюються, і енергія, що звільнилася, використовується на утворення складноефірного зв'язку між нуклеотидами.
Рибонуклеїнові кислоти
Молекули РНК є полімерами, мономерами яких є рибонуклеотиди, утворені:
• залишком п'ятивуглецевого цукру – рибози;
• залишком однієї з азотистих основ:
1. пуринових - аденіну, гуаніну;
2. піримідинових - урацил, цитозину;
- залишком фосфорної кислоти.
РНК знаходиться в ядрі, цитоплазмі, мітохондріях та пластидах.