Молекулярний рівень організації генетичного матеріалу
Нуклеїнові кислоти– це лінійні нерозгалужені гетерополімери, мономерами яких є нуклеотиди, пов'язані фосфодіефірними зв'язками.
Нуклеотиди– це органічні речовини, молекули яких складаються з залишку пентози (рибози або дезоксирибози), до якого ковалентно приєднано залишок фосфорної кислоти та азотисту основу. Азотисті основи у складі нуклеотидів діляться на дві групи: пуринові (аденін та гуанін) та піримідинові (цитозин, тимін та урацил). Дезоксирибонуклеотиди включають до свого складу дезоксирибозу та одну з азотистих основ: аденін (А), гуанін (Г), тимін (Т), цитозин (Ц). Рибонуклеотиди включають до свого складу рибозу та одну з азотистих основ: аденін (А), гуанін (Г), урацил (У), цитозин (Ц).
У ряді випадків у клітинах зустрічаються і різноманітні похідні від перерахованих азотистих основ – мінорні основи, що входять до складу мінорних нуклеотидів.
Вільні нуклеотиди та подібні до них речовини відіграють важливу роль в обміні речовин. Наприклад, НАД (нікотинамідаденіндінуклеотид) і НАДФ (нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат) служать переносниками електронів і протонів.
Вільні нуклеотиди здатні приєднувати ще 1. 2 фосфорні групи, утворюючи макроергічні сполуки. Універсальним джерелом енергії у клітині є АТФ – аденозинтрифосфорна кислота, що складається з аденіну, рибози та трьох залишків фосфорної (пірофосфорної) кислоти. При гідролізі одного кінцевого пірофосфатного зв'язку виділяється близько 30,6 кДж/моль (або 8,4 ккал/моль) вільної енергії, яка може використовуватися клітиною. Такапірофосфатний зв'язок називається макроергічним (високоенергетичним).
Крім АТФ існують і інші макроергічні сполуки на основі нуклеотидів: ГТФ (містить гуанін; бере участь у біосинтезі білків, глюкози), УТФ (містить урацил; бере участь у синтезі полісахаридів).
Нуклеотиди здатні утворювати циклічні форми, наприклад цАМФ, цЦМФ, цГМФ. Циклічні нуклеотиди виконують роль регуляторів різних фізіологічних процесів.
Існує два типи нуклеїнових кислот:ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) та РНК (рибонуклеїнова кислота).Нуклеїнові кислоти забезпечують зберігання, відтворення та реалізацію генетичної (спадкової) інформації. Ця інформація відображена (закодована) у вигляді нуклеотидних послідовностей. Зокрема, послідовність нуклеотидів відбиває первинну структуру білків (див. нижче). Відповідність між амінокислотами і нуклеотидними послідовностями, що кодують їх, називається генетичним кодом. Одиницею генетичного коду ДНК і РНК є триплет-послідовність із трьох нуклеотидів.
Нуклеїнові кислоти – це хімічно активні речовини. Вони утворюють різноманітні сполуки з білками – нуклеопротеїди, або нуклеопротеїни.
Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК)- це нуклеїнова кислота, мономерами якої є дезоксирибонуклеотиди. ДНК є первинним носієм спадкової інформації. Це означає, що вся інформація про структуру, функціонування та розвиток окремих клітин та цілісного організму записана у вигляді нуклеотидних послідовностей ДНК.
Нуклеїнові кислоти були відкриті Мішером у 1868 р. Однак лише у 1924 р. Фельген довів, що ДНК є обов'язковим компонентом хромосом. У 1944 р. Евері, Мак-Леод і Мак-Карті встановили, що ДНК граєвирішальну роль у зберіганні, передачі та реалізації спадкової інформації.
Існує кілька типів ДНК: А, В, Z, Т-форми. З них у клітинах зазвичай зустрічається В-форма - подвійна правозакручена спіраль, яка складається з двох ниток (або ланцюгів), пов'язаних між собою водневими зв'язками. Кожна нитка представлена залишками дезоксирибози і фосфорної кислоти, що чергуються, причому, до дезоксирибози ковалентно приєднується азотисте основу. При цьому азотисті основи двох ниток ДНК спрямовані одна до одної і за рахунок утворення водневих зв'язків утворюють комплементарні пари: А = Т (дві водневі зв'язки) і Г Ц (три водневі зв'язки). Тому нуклеотидні послідовності цих ланцюгів однозначно відповідають один одному. Довжина витка подвійної спіралі дорівнює 3,4 нм, відстань між суміжними парами азотистих основ 0,34 нм, діаметр подвійної спіралі 1,8 нм.
Довжина ДНК вимірюється числом нуклеотидних пар (скороч. - Понеділок). Довжина однієї молекули ДНК коливається від кількох тисяч пн (скороч. – тпн) до кількох мільйонів пн (мпн). Наприклад, у найпростіших вірусів довжина ДНК становить приблизно 5 тпн, у найскладніших вірусів – понад 100 тпн, у кишкової палички
3,8 мпн, у дріжджів
13,5 мпн, у мушки дрозофіли
105 мпн, у людини
2900 мпн (розміри ДНК дані для мінімального набору хромосом – гаплоїдного). Довжину ДНК можна виразити і у звичайних метричних одиницях довжини: загальна довжина молекули ДНК у кишкової палички становить
1,3 мм, а довжина молекули ДНК у складі першої хромосоми людини
16 см, а довжина ДНК у всьому геномі людини (у 23 хромосомах)
1 метр. В еукаріотичних клітинах ДНК існує у вигляді нуклеопротеїнових комплексів, до складу яких входять білки-гістони.
Реплікація (самоподвоєння) ДНКце один із найважливіших біологічних процесів, що забезпечують відтворення генетичної інформації. Внаслідок реплікації однієї молекули ДНК утворюється дві нові молекули, які є точною копією вихідної молекули – матриці. Кожна нова молекула складається з двох ланцюгів – одного з батьківських та одного із сестринських. Такий механізм реплікації ДНК називається напівконсервативним.
Реакції, в яких одна молекула гетерополімеру є матрицею (формою) для синтезу іншої молекули гетерополімеру з комплементарною структурою, називаються реакціями матричного типу. Якщо в ході реакції утворюються молекули тієї ж речовини, яка є матрицею, то реакція називається автокаталітичною. Якщо під час реакції на матриці однієї речовини утворюються молекули іншої речовини, то така реакція називається гетерокаталітичною. Отже, реплікація ДНК (тобто синтез ДНК на матриці ДНК) є автокаталітичної реакцією матричного синтезу.
До реакцій матричного типу відносяться, насамперед, реплікація ДНК (синтез ДНК на матриці ДНК), транскрипція ДНК (синтез РНК на матриці ДНК) та трансляція РНК (синтез білків на матриці РНК). Однак існують інші реакції матричного типу, наприклад, синтез РНК на матриці РНК і синтез ДНК на матриці РНК. Два останні типи реакцій спостерігаються при зараженні клітини певними вірусами. Синтез ДНК на матриці РНК (зворотна транскрипція) широко використовується генної інженерії.
Усі матричні процеси складаються з трьох етапів: ініціації (початку), елонгації (продовження) та термінації (закінчення).
Реплікація ДНК – це складний процес, у якому бере участь кілька десятків ферментів. До найважливіших з них відносяться ДНК-полімерази (кілька типів), праймази, топоізомерази, лігази та інші.Головна проблема при реплікації ДНК полягає в тому, що в різних ланцюгах однієї молекули залишки фосфорної кислоти направлені в різні боки, але нарощування ланцюгів може відбуватися тільки з кінця, який закінчується групою ВІН. Тому в ділянці, що реплікується, яка називається вилкою реплікації, процес реплікації протікає на різних ланцюгах по-різному. На одному з ланцюгів, який називається провідним, відбувається безперервний синтез ДНК на матриці ДНК. На іншому ланцюзі, який називається запізнілим, спочатку відбувається зв'язування праймера – специфічного фрагмента РНК. Праймер служить затравкою для синтезу фрагмента ДНК, який називається фрагментом Оказакі. Надалі праймер видаляється, а фрагменти Козаки зшиваються між собою в єдину нитку ферменту ДНК-лігази. Реплікація ДНК супроводжується репарацією – виправленням помилок, які неминуче виникають при реплікації. Існує безліч механізмів репарації.
Рибонуклеїнова кислота (РНК)- це нуклеїнова кислота, мономерами якої є рибонуклеотиди.
У межах однієї молекули РНК є кілька ділянок, які комплементні один одному. Між такими комплементарними ділянками утворюються водневі зв'язки. В результаті в одній молекулі РНК чергуються двоспіральні та односпіральні структури, і загальна конформація молекули нагадує конюшинний лист на черешку.
Азотисті основи, що входять до складу РНК, здатні утворювати водневі зв'язки з комплементарними основами ДНК і РНК. При цьому азотисті основи утворюють пари А = У, А = Т і ≡Ц. Завдяки цьому можлива передача інформації від ДНК до РНК, РНК до ДНК і від РНК до білків.
У клітинах виявляється три основних типи РНК, що виконують різні функції:
1. Інформаційна, або матрична РНК (іРНК, абомРНК). Складає 5% клітинної РНК. Служить передачі генетичної інформації від ДНК на рибосоми при біосинтезі білка. В еукаріотів іРНК (мРНК) стабілізована за допомогою специфічних білків. Це уможливлює продовження біосинтезу білка навіть у тому випадку, якщо ядро неактивне.
2. Рибосомна, або рибосомальна РНК (РРНК). становить 85% клітинної РНК. Входить до складу рибосом, визначає форму великої та малої рибосомних субодиниць, забезпечує контакт рибосоми з іншими типами РНК.
3. Транспортна РНК (ТРНК). Складає 10% клітинної РНК. Транспортує амінокислоти до відповідної ділянки іРНК у рибосомах. Кожен тип тРНК транспортує певну амінокислоту.
У клітинах є інші типи РНК, виконують допоміжні функції.
Усі типи РНК утворюється внаслідок реакцій матричного синтезу. Найчастіше матрицею служить одне із ланцюгів ДНК. Таким чином, синтез РНК на матриці ДНК є гетерокаталітичною реакцією матричного типу. Цей процес називається транскрипцією та контролюється певними ферментами – РНК-полімеразами (транскриптазами).
У 1953 р. Джеймс Вотсон і Френк Крик, ґрунтуючись на даних рентгеноструктурного аналізу кристалів ДНК, дійшли висновку, що її молекула складається з двох полімерних ланцюгів, що утворюють подвійну спіраль. ДНК - це полінуклеотид, складений з окремих «цеглинок» мононуклеотидів. До складу мононуклеотидів входять нуклеозиди, з'єднані залишками фосфорної кислоти. Кожен нуклео*
Таблиця 3.1.Номенклатура азотистих основ, нуклеознлів та мононуклеотидів молекули ДНК (no Т.Т. Березов, 1983)