НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫИ МАТРИЧНЫЕ БИОСИНТЕЗ. СТРУКТУРА И БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Запись 109
Нуклеиновые кислоты по своей химической природе представляют собой биополимеры, мономерными единицами которых являются мононуклеотиды, соединенные между собой фосфодиэфирными связями. В клетках присутствует два типа нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновык кислоты - ДНК и рибонуклеиновые кислоты – РНК
ДНК в живых системах выступает в качестве хранителя генетической информации,
РНК играет важную роль в реализации генетической информации, т.е. процессов использования генетической информации в ходе формирования различных биологических структур.
Химическая структура ДНК
Первичная структура ДНК
Первичная структура ДНК - это последовательность расположения остатков дезоксирибонуклеотидов в полинуклеотидной цепи. В последовательности дезоксирибонуклеотидных остатков цепи ДНК закодирована вся генетическая информация.
Молекулы ДНК построена из двух дезоксирибополинуклеотидных цепей. В составе ДНК главные нуклеотиды составляют 97%,
Мононуклеотидами являются:
· дезоксиАМФ (дезоксиадениловая кислота/ аденозилмонофосфорная кислота)
· цГМФ (дезоксигуаниловая кислота)
· дЦМФ (дезоксицитидиловая кислота/ цитидилмонофосфорная кислота)
· дТМФ (дезокситимидиновая кислота/ дезокситимидинмонофосфорная кислота)
Около 3% нуклеотидов приходится на так называемые минорные нуклеотиды (химическая модификация главных нуклеотидов (в основном, метилированное азотистое основание главных нуклеотидов))
Общая длина ДНК на нуклеосомах (?) человека составляет примерно 2 м.
При формировании нуклеотидной цепи один дезоксирибонуклеотид соединяется с другим при помощи фосфодиэфирной связи (3',5'- фосфодиэфирная связь).
Собственно остов полимерной структуры образован чередующимися остатками дезоксирибозы и фосфорной кислоты, причем к каждому дезоксирибозному остатку этого остова с помощью N-гликозидной связи присоединено то или иное азотистое основание
Началом является 5’конец, а окончанием 3’конец.
Вторичная структура ДНК
Вторичная структура ДНК представляет собой правозакрученную спираль, построенную из двух антипараллельных комплементарныех полинуклеотидных цепей.
Стабилизация такой структуры осуществляется, во-первых, за счет водородных связей между комплементарными парами азотистых оснований соседних цепей и, во-вторых, за счет так называемого стэкинг-взаимодействия - взаимодействия по типу монетных столбиков м/у делокализованными П(?)-молекулярными орбиталями азотистых основания выше или ниже расположенных вдоль нуклеотидной цепи
Пары:
· А=Т
· Ц=Г
Схема вторичной структуры ДНК
Известно несколько возможных вариантов вторичной структуры ДНК, обозначаемых буквами от А до Е. Все они представлены правозакрученными вариантами двойной спирали.
Наиболее стабильной и известной является В-форма, именно она была предложена в 1953 г. родоначальниками молекулярной биологии Ф.Криком и Д.Уотсоном.
На 1 виток или шаг спирали В-формы ДНК приходится 10 пар нуклеотидов, расстояние между плоскостями соседних пар оснований - О,338 нм, диаметр спирали - 1,9 нм. При физиологических условиях (низкая концентрация солей, высокая степень гидратации молекулы) преобладающей структурной формой ДНК является именно ее В-форма.
При более высоком содержании ионов в окружающей среде и меньшей степени гидратации молекула ДНК может переходить в А-форму, для которой характерны несколько иные параметры витка: на 1 виток приходится 11 пар нуклеотидов, расстояние между плоскостями соседних пар оснований - О,256 нм и диаметр спирали - 2,3 нм.
Третичная структура ДНК
Молекулы ДНК, размеры которых составляют несколько см, умещаются в ядре клетки, диаметр которого измеряется микрометрами. Молекула ДНК самостоятельно не может упаковываться, ее укладка идет путем взаимодействия с гистоновыми и негистоновыми белками
Третичная структура ДНК – способ упаковки молекулы ДНК в ядерном аппарате к-ки
Принято выделять три уровня компактизации молекул ДНК.
В формировании первого - нуклеосомного - уровня компактизации важную роль играет взаимодействие ДНК с молекулами белков гистонов. Восемь молекул гистонов: 2 молекулы Н2А, 2 молекулы Н2В, 2 молекулы Н3 и 2 молекулы Н4 - образуют гистоновый октамер, на который накручивается примерно на 1,75 оборота участок молекулы ДНК.
Этот гистоновый кор с намотанной на него ДНК получил название минимальной нуклеосомы.
Участки ДНК, соединяющие между собой минимальные нуклеосомы, получили название " линкеры ". В свою очередь минимальная нуклеосома вместе с линкером образует полную нуклеосому. На одну полную нуклеосому приходится в среднем 200 пар нуклеотидов (как правило, это длина фрагмента Оказаки). нуклеосомы имеют диаметр примерно 10 нм, и за счет этого уровня компактизации линейные размеры ДНК уменьшаются в 6-7 раз
В формировании второго уровня компактизации ДНК – образовании фибрилл ДНК - важная роль принадлежит белку гистону Н1. Своей глобулярной частью молекула гистона Н1 связывается с средней частью одной нуклеосомы, а с помощью своих "ручек" она взаимодействует с двумя соседними нуклеосомами, ибо эта молекула представляет собой своеобразный эллипсоид с 2-ми противоположно-ориентированными ручками.. При этом нуклеосомы стягиваются вместе, образуя регулярную повторяющуюся структуру, напоминающую спираль:
За счет формирования подобного рода фибриллярных структур длина молекул ДНК уменьшается еще в 6 - 7 раз. Толщина – 30 нм.
Дальнейшее уменьшение линейных размеров ДНК идет за счет третьего - петельного - уровня компактизации. Фибриллы ДНК образуют петлеобразные структуры, крепящиеся к элементам ядерного скелета в интерфазе клеточного цикла или к осевой нити хромосомы в делящейся клетке,
Осевая нить образована негистоновыми белками клеточного ядра. Эти петли или домены фибрилл ДНК включают в себя от 20 000 до 100 000 пар нуклеотидов.
Существует более 200 вариантов компактизации молекул ДНК, причем они существуют как в делящихся, так и в неделящихся клетках.
Информационная структура ДНК
Информационной единицей клеточного генома является ген,
Ген – участок молекулы ДНК, ответственный за хранение и реализацию генетической информации об одной полипептидной цепи белка или об одной молекуле структурной РНК (тРНК или рРНК)
Всю ДНК эукариотического генома можно разделить на два класса последовательностей.
o уникальные или неповторяющиеся последовательности (70%), они представлены одной или двумя копиями на диплоидный хромосомный набор. Именно они включают в себя основную массу генов. На долю этих уникальных последовательностей приходится до 70% всей клеточной ДНК.
o повторяющиеся последовательности ДНК.
§ Высокоповторяющиеся – 15% - это участки ДНК небольшой длины обычно от 5 до 500 пар нуклеотидов, повторенных от 1 до 10 миллионов раз
§ умеренно повторяющиеся последовательности – 10-20% - повторяются в геноме меньше 1 млн раз
Высокоповторяющиеся принимают участие в структурной организации хроматина (образуют теломеры и центромеру хромосомы)
Часть этих умеренно повторяющихся последовательностей представляют собой гены, кодирующие гистоны.
Часть этих умеренно повторяющихся последовательностей выполняют структурную ф-ию, например, входят в состав участков ДНК, разделяющих отдельные гены, т.е. на так называемые спейсеры.