Хімія нуклеїнових кислот

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Реферат на тему:

Хімія нуклеїнових кислот

2009

Почнемо з ДНК. Її фізичні характеристики і «конструктивні» особливості були досить докладно описані у вступі. Настав час докладніше познайомитися з нуклеотидами, уточнити поняття «комплементарное», конкретно познайомитися зі слабкими («водневими») зв'язками, які утримують два ланцюги ДНК один біля одного, і будовою самих ланцюгів.

Шляхом ферментативного гідролізу гігантські молекули ДНК вдається повністю розбити на складові ланки і розділити їх за допомогою вже згаданого методу хроматографії. Фізико-хімічний аналіз показав, що ці ланки («нуклеотиди») мають у своєму складі (подібно амінокислотам) однакові лінійні елементи, які власне кажучи, і вибудовують ланцюг, а також бічні гілки («нуклеїнові підстави»), якими вони відрізняються. Таких виявилося, дійсно всього чотири: два відносно менших розмірів-цитозин (Ц) і тимін (Т) і два більших - аденін (А) і гуанін (Г), і підстава урацил (У), яке в РНК замінює тимін.

Менш великі молекули (Ц, Т, У) є похідними молекули піримідину і тому називаються піримідинових основ. Дві більш великих молекули, - похідні пурину, - іменуються пуриновими підставами,

Всі ці нуклеїнові підстави містять гетероцикли з сполученими зв'язками. Такі молекули мають яскраво вираженої гідрофобністю і, крім того, сильно поглинають ультрафіолетове світло поблизу максимуму поглинання при довжині хвилі 260 тц. , NH 3, О), способные образовывать водородные связи. (За інтенсивністю УФ-поглинання можна кількісно визначати вміст ДНК або РНК у водному розчині.) Всі ці молекули плоскі і містять активні атоми і групи (N, NH, NH 3, О), здатні утворювати водневі зв'язки. Ковалентні зв'язку всіх нуклеїнових основ з лінійними частинами ланок ДНК і РНК здійснюються за NH-групам, оточеним пунктирами.

Тепер ми вже можемо їх назвати - це пари: А-Т і Г-Ц.

Зауважимо, що в парі Г-Ц три зв'язку, а в А-Т тільки дві. Ми маємо право зробити висновок, що перша пара пов'язана міцніше. Аналіз зовнішніх («лінійних») ділянок нуклеотидів ДНК підтвердив, що вони містять плоскі молекули цукру дезоксирибози (у РНК - рибози)

У п'ятичленних кільцях цих Сахаров знаходиться за чотири атома вуглецю, п'ятий атом вуглецю розташований поза кільця. Слід звернути увагу на нумерацію вуглеців від Г до 5 '(штрихи при номерах ролі не грають - вони «прийшли» із загальноприйнятої хімічної номенклатури). Обведені пунктиром гідроксили в обох молекулах беруть участь в утворенні ковалентних зв'язків з нуклеїновими основами.

У лінійну частину ланки ДНК (і РНК) входить ще залишок ортофосфорної кислоти. На рис. 25 зображена в повному складі пара кодують ланок ДНК. У зображенні використовуються загальноприйняті спрощення: у всіх вільних кутках кілець треба уявити собі стоять там атоми вуглецю, а на кінцях виходять з цих кутів рисок - атоми водню. Ще раз зверніть увагу на нумерацію вуглеців у дезоксирибоза. Не випадково на рис. 25 правий нуклеотид (Т) зображений як би «вниз головою» щодо лівого нуклеотиду (А). Як видно з рис. 26, таке відносне розташування має місце у всіх парах ланцюга ДНК. Воно диктується необхідністю відповідного положення підстав (при якому зближені групи, що утворюють водневі зв'язки) та цукрово-фосфатних зв'язків між нуклеотидами кожної нитки. Комплементарні нитки ДНК виявляються протилежно спрямованими. Якщо, приміром, ми приймемо за направлення нитки перехід від 5'-вуглецю однієї кінцевої молекули дезоксирибози, несучої фосфатну групу, до 3'-вуглецю інший кінцевий дезоксирибози, несучої ОН-групу, то тим самим ми визначимо напрямок всієї нитки. Такий напрямок прийнято називати направленням від 5'-кінця нитки до її 3'-кінця або скорочення



На рис. ці напрямки для обох ниток вказані стрілками. Вони протилежні. Звідси випливає, що переходячи від ланки до ланки в двунітевой ДНК (тобто від однієї пари пов'язаних нуклеїнових основ до наступній парі) ми неминуче будемо рухатися по одній нитки в напрямку 5'-3 ', а по другій у напрямку 3'- 5 '. Цю обставину слід запам'ятати.

На рис. для простоти нуклеїнові підстави були позначені кружками. Рис. 2 зображує повну структуру двухзвенной фрагмента ДНК. Штрихування означає, що площині підстав перпендикулярні напрямку паралельних цукрово-фосфатних ланцюжків.

Рис. 2

Зіставивши сумарні елементарні склади пар А-Т і Г-Ц легко підрахувати, що вони майже однакові. Якщо ж врахувати, що усереднення елементарного складу всієї молекули ДНК відбувається за більш, ніж мільйона пар, можна з ще більшою впевненістю, ніж для білків, стверджувати, що елементарний склад всіх ДНК однаковий. Він виявився зовсім іншим, ніж у білків (див. вище), а саме: 33,1% С; 38,2% О; 15,7% N і 9,3% Р.

Детально розглянувши склад і структуру ДНК, можна для РНК обмежитися лише короткими зауваженнями. З урахуванням того, що заміна тиміну на урацил у складі РНК веде до відзначення всього в двох атомах водню, а дезоксирибози на рибозу - в одному атомі кисню, можна стверджувати, що елементарний склад РНК такий же, як у ДНК. Головна відмінність у тому, що більшість РНК - однониткових молекули. Адже їм немає потреби реплицироваться. (Втім, останнє зауваження сьогодні, в 2001 році, звучить не настільки категорично, як навіть рік тому, зважаючи на зовсім недавнього виявлення можливості реплікації РНК за допомогою ферменту «рйбозіма».)

Давно відомо, що на окремих невеликих ділянках нитка РНК може злучатися сама на себе, завдяки рознесеним по її довжині комплементарним ділянкам. Така освіта двунітевих ділянок, мабуть, важливо для структурування та функціонування великих (наприклад, рибосомальних) молекул РНК і малих молекул тРНК.

Нарешті, слід мати на увазі, що розчини РНК, завдяки гнучкій однониткових структурі її молекул, мають набагато меншою в'язкістю, ніж розчини ДНК. Ще, на відміну від ДНК, РНК можна відчепити до нуклеотидів обробкою слабким лужним розчином. Здатність до поглинання світла в УФ-області в обох типів молекул нуклеїнових кислот однакова.

Механізм редуплікації ДНК

Тут доцільно лише коротко повторити основні уявлення про фундаментальні життєвих процесах: редуплікації ДНК, транскрипції її з перенесенням спадкової інформації на іРНК і механізм трансляції - синтезі білка, направленій цією інформацією.

Зрозуміло, по ходу справи ми зробимо деякі уточнення і додамо ряд деталей до описів названих процесів.

Редуплікацію ДНК (копіювання «материнської» ДНК при поділі клітини) здійснює особливий фермент ДНК-полімераза. Посадці цього ферменту на одну з ниток ДНК передує суворо локалізований розрив кільця, якщо ДНК кільцева (у бактерій) і якийсь розплітання кінцевого ділянки її гігантською двунітевой спіралі. Зауважимо відразу, що ДНК-полімераза може сідати на будь-який з двох кінців спіралі, але обов'язково на ту нитку, для якої цей кінець є 3'-кінцем (будь то «кодує» або «захисна» нитка). Просування ферменту уздовж «матриці» материнської нитки завжди йде в напрямку від 3'-кінця до 5'-кінця. Звідси випливає, що синтезируемая по цій матриці, «комплементарна» до неї нова нитка ДНК буде починатися своїм 5'-кінцем і нарощуватися в напрямку свого майбутнього 3'-кінця. Ці два напрямки не можна плутати. У разі сумніву досить згадати, що нарощування новосінтезіруемой нитки відбувається шляхом послідовного приєднання нуклеотидів, хто вже несе фосфатну групу, пов'язану з 5'-уг-леродом дезоксирибози. Отже до попереднього, вже стоїть на своєму місці нуклеотиду він повинен приєднуватися за його ОН-групі, пов'язаної з 3'-вуглецем дезоксирибози. А це і означає, що нарощування нової нитки ДНК йде в напрямку б'-3 '. Тут же доречно нагадати, що робота просування ДНК-полімерази здійснюється за рахунок енергії розриву хімічного зв'язку між першим і другим фосфатами відповідного нуклеозидтрифосфат - попередника приєднується нуклеотиду.

Тепер перейдемо до додатків і уточненням. . coli ) обнаружилась не одна, а целых три ДНК-полимеразы. Почнемо з того, що в клітці кишкової палички (E. Coli) виявилася не одна, а цілих три ДНК-полімерази. Вони помітно відрізняються один від одного за молекулярною вагою і за кількістю молекул кожної з них, що містяться в клітині. А також за їх ролі в процесі редуплікації ДНК.

Історично першою була виявлена ​​і очищена ДНК-полі-Мераз I (фермент Корнберга). Потім з'явилися ДНК-полімерази II і III, Молекулярні ваги цих трьох ферментів, відповідно, 109, 90 і 300 тис. дальтон, а їх представництво в одній клітці: 300, 40 і 20 штук. Відмінність функцій буде видно з подальшого.

Опис 1-го етапу редуплікації почнемо з того, що початкове розплітання кінця двунітевой материнської молекули ДНК здійснюється за допомогою спеціального білка «топоізоме-рази». Він просувається по двунітевой молекулі, послаблюючи її водневі зв'язки настільки, що на пройденому їм короткому кінцевій ділянці ці зв'язки розриваються вже при температурі 37 ° С. Слідом за топоізомеразою на материнську ДНК сідає і починає просуватися по ній інший білок ДНК-геліказа, якому належить зіграти свою роль пізніше. Потім особлива РНК-полімеру через, що працює тільки з кінця нитки ДНК, іменована «праймазою» будує дуже коротку ланцюжок рибонуклеотидов (що отримала назву «праймера») комплементарно до початку нитки ДНК. У бактерій це всього 5 нуклеотидів, а в еукаріотів - близько 40. (На рис. 28 всі праймери показані тонкою лінією, а всі нитки ДНК - жирної.)

Тільки тепер, відразу за праймером на ту ж нитка ДНК (домовимося, для простоти, називати її «першою») сідає ДНК-полі-Мераз, яка може розпочати будівництво комплементарної нитки ДНК лише починаючи від праймера, приєднуючись до нього («танцює від грубки »). Це - ДНК-полімераза III, найбільша, складається з 6-ти субодиниць і за своєю функцією головна - вона вестиме «комплементарний синтез» ДНК по цій першій материнської нитки ДНК до самого кінця. Первісне рух цієї ДНК-полімерази обмежено 1-2-ма тисячами нуклеотидів першої нитки (у еукаріотів - всього на 200 нуклеотидів).

Друга материнська нитка (ще порожня) формує разом з першою ниткою «вилку редуплікації».

Між геліказа і ДНК-полімеразою III утворюється певний ділянка оголеної 1-ї нитки. 2-а нитка теж ще нічим не прикрита. Ці дві нитки після відходу геліказа можуть знову зімкнутися. Щоб цього не відбувалося, впритул за геліказа на 1-у нитку сідають чотири, так званих «ДНК-зв'язуючих білка». Їм не приписують інших функцій, крім захисту від відновлення подвійної спіралі ДНК поблизу вершини вилки ...

Кожному, хто пробував просто розсунути кінці двох скручених у спіраль мотузок (протилежні кінці яких закріплені) знає, що спочатку це вдається зробити легко, потім все важче, а потім стає і неможливо. Це відбувається тому, що кінці мотузок саме розсуваються, а не розкручуються. Інша частина спіралі при цьому ущільнюється, зберігаючи колишнє число витків, що і створює напругу, що заважає подальшому раздвижению решт. Досить тепер у вершини вилки перерізати одну мотузку, як щільно скручена її частина починає обертатися до тих пір, поки напруга ущільнення витків не буде знято. Одночасно буде обертатися навколо своєї осі і не перерізана гілку розсунутий мотузки. Відрізана гілку, якщо вона зберегла якесь зчеплення, хоча б в одній точці, з іншою гілкою, буде без напруги обертатися разом з нею ...

Подібний описаного процес, ймовірно, здійснюється і під час реплікації ДНК. Пройшовши до вершини вилки розійшлися ниток материнської ДНК 'тандем геліказа-ДНК-зв'язуючі білки - ДНК-полімераза III зупиняється (див. рис. 28). Топо-ізомерази йде далі по двухнитевой материнської ДНК, а ге-ліказа розриває цукрово-фосфатну зв'язок на 2-й нитки. Ущільнені на ділянці, що прилягає до вилки, витки подвійної спіралі розправляються, 1-а нитка ДНК разом з сидять на ній білками обертається навколо своєї осі, а навколо цієї нитки повертається і відрізаний шматок 2-ї нитки, тимчасово пов'язаний з геліказа. Цей шматок називають «фрагментом Окадзакі» - по імені вченого, який знайшов поява таких фрагментів при редуплікації. Після зняття напруги нитки подвійної спіралі ДНК материнської знову можуть почати розходитися. Але до цього з відрізаного кінця фрагмента Окадзакі інша праймазою починає на ньому побудова нового рібонуклеотідного праймера. Потім геліказа звільняє фрагмент і йде вперед, а спеціальний фермент «лігаза» пришиває початок фрагмента Окадзакі на колишнє місце - до 2-ї нитки материнської ДНК. . coli представлена наиболее многочисленной популяцией — около 200 молекул. Зауважимо, що лігаза (М = 96 тис.) у клітині E. Coli представлена ​​найбільш численною популяцією - близько 200 молекул. З чого випливає, що вона виконує не випадкові «ремонтні» роботи, а є повноправним членом сукупності ферментів, що забезпечують редуплікацію ДНК (подібно значенням ниток для хірурга).

Коли праймер готовий, попереду нього, у напрямку до 5'-кон-цу 2-й материнської нитки ДНК сідає ДНК-полімераза I. Починається будівництво нитки, комплементарної до цього фрагменту 2-ї нитки, знову в напрямку 3'-5 ', вважаючи за цієї нитки. ДНК-полімераза I доходить до кінця фрагмента Окадзакі і знімається. Цим закінчується 1-й етап редуплікації (рис. 28).

Між тим праймер, що залишився на початку 1-ї нитки руйнується якоїсь «рибонуклеаза Н», - ферментом, що рвуть нитка РНК, що знаходиться в комплексі з ниткою ДНК. На його місце ДНК-полімераза II ставить «правильні дезоксирибонуклеотидів. У той же час топоізомераза, геліказа, а за ними і ДНК-полімераза III просуваються вперед. Починається 2-й етап редуплікації. Вилка реплікації теж просувається, прилеглий до неї ділянку материнської двунітевой ДНК ущільнюється і весь синтезує тандем зупиняється. Геліказа знову розрізає 2-у нитку, утворюючи другий фрагмент Окадзакі. Так само, як раніше, на обрізаному (тимчасово) кінці фрагмента створюється праймер, до нього «підсаджується» ДНК-полімераза I і починає копіювати другий фрагмент Окадзакі, тобто 2-у нитку материнської ДНК. Відмінність другого етапу буде тільки в тому, що на шляху цієї полімерази зустрінеться праймер, що залишився від копіювання 1-го фрагмента Окадзакі. Але ДНК-полімераза I, на відміну від всіх інших ДНК-полімераз, має ще й 5'-3 'екзонуклеазну активністю, тобто в напрямку свого руху. Вона руйнує праймер і доходить до того

місця, з якого починала копіювання 1-го фрагмента Окадзакі її попередниця. Залишається тільки зв'язати фосфодіефірних зв'язком ці два шматки новосинтезованих комплементарної нитки. Природно, що це робить всюдисуща ДНК-лігаза.

Тим часом у районі освіти вже третьої вершини вилки редуплікації відбуваються точно такі ж події, як на 2-му етапі редуплікації. Швидкість цього процесу оцінюється як, приблизно, 1000 нуклеотидів в секунду у бактерій 100 - у тварин і 20 - у рослин. '

Досить імовірно, що в той же самий час аналогічні процеси розплітання подвійної спіралі з утворенням фрагментів Окадзакі і комплементарного побудови нових ниток ДНК йдуть і з протилежного кінця материнської ДНК. Зрозуміло, там ДНК-полімераза III безперервно рухається вздовж тієї нитки ДНК, яку ми назвали 2-й, а на фрагменти Окадзакі розрізається 1-а нитка. Коли два рухи зустрічаються, дві дочірні копії вихідної ДНК виявляються готові. . coli (1—2 тысячи нуклеотидов) значительно больше, чем у эукариотов (меньше 200). (Їх «зшиє» все та ж ліга-за.) До речі виявилося, що довжина фрагментів Окадзакі у E. Coli (1-2 тисячі нуклеотидів) значно більше, ніж у еукаріотів (менше 200). Не позбавлене інтересу збіг цієї останньої цифри з довжиною ДНК в нуклеосоме.

. coli и подтверждены для других микроорганизмов. Звичайно, всі описані механізми були встановлені для E. Coli і підтверджені для інших мікроорганізмів. Чи мала сенс вся ця величезна робота, з точки зору пізнання процесів передачі спадкової інформації у вищих організмів? Безумовно мала! По-перше, дослідники не раз переконувалися в тому, що фундаментальні реакції на різних рівнях розвитку організмів протікають подібним чином. редупликацию ДНК, полученных из любых источников, и потому представляют собой прекрасный инструмент для исследования этих ДНК. По-друге, ферменти, виділені з бактерій, добре ведуть in vitro редуплікацію ДНК, отриманих з будь-яких джерел, і тому представляють собою прекрасний інструмент для дослідження цих ДНК.

Що до механізму редуплікації у еукаріотів, то, хоча він вивчений гірше, тим не менше і тут знайдені і охарактеризовано цілих п'ять ДНК-полімераз, які прийнято позначати грецькими буквами: ос, Р, у, 5 і е. Основним ферментом, подібним ДНК- полімеразі III у бактерій, є ДНК-полімераза 5. ДНК-полімераза а відповідає за побудову праймерів (з рібонуклеотідов). ДНК-полімераза Р - копіює фрагменти Окадзакі і відповідає за репарацію ДНК. ДНК-полімераза у веде синтез ДНК в мітохондріях. Функція ДНК-полімерази з поки невідома.

Звичайно, гігантські ДНК вищих організмів починають редуплікацію не тільки з кінців молекули, але і в безлічі проміжних точок (як - незрозуміло). Вважають, що у дріжджів таких точок початку реплікації близько 300. Вони відстоять один від одного на 40 тисяч пар нуклеотидів. У ДНК людини налічують до 20 000 точок початку, розташованих з інтервалом в 150 тисяч пар нуклеотидів. Мабуть, місцями початку розплітання і посадки ДНК-полімерази 5 служать послідовності відносно слабко пов'язаних А-Т пар основ.

Відзначимо ще, що всі ДНК-полімерази, провідні комплеметарний синтез, як у бактерій, так і у еукаріотів, мають ще й екзонуклеазну активністю в напрямку 3'-5 ', - зворотному напрямку синтезу. Вони здатні хіба що "обернутися" і просто видалити що ними ж приєднаний нуклеотид. Це - дуже важливий механізм усунення помилок в компліментарних синтезі. Помилку адже можна виявити тільки тоді, коли вона вже зроблена. І негайно виправити! Це «вміють» робити ДНК-полімерази. Така корекція не рідкість, а норма. . coli 5—10% нуклеотидов были бы присоединены неправильно. Вважають, що без неї при редуплікації ДНК з E. Coli 5-10% нуклеотидів були б приєднані неправильно. Завдяки корекції 1 помилка в цій ДНК доводиться на десять мільйонів пар основ. Усім би коректорам таку ретельність!

Література:

Ахмеджанов М.Ю., Гуз С.Я., Архангельський В.В. Динаміка вмісту тригліцеридів, загального холестерину і його фракцій у сироватці крові хворих, які перенесли інфаркт міокарда та при санаторно-курортному лікуванні. / / Нове в лабораторній діагностиці хронічних хвороб внутрішніх органів. - Ужгород, 1983. -С.52.

Бабенко Н.А., Натарова Ю.А. Роль тиреоїдних гормонів у регуляції сфінголіпідів в печінці / / Біохімія.1999. -Т.64. -Вип. 8. -С .- 1085-1089.

Бабич Л.Г., Шликов С.Р., Борисова І.А. Енергозалежний транспорт Са +2 у внутрішньоклітинних структурах гладкого м'яза. / / Біохімія -1994. -Т.59. -Вип.8. -С. 1218 - 1222.

Баєв В.П., Булах Є.П. Визначення кетонових тіл в крові і тканинах. / / Лабораторне справу. -1974. -N 9. -С.545.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Біологія | Реферат
43.3кб. | скачати


Схожі роботи:
Біохімія нуклеїнових кислот
Доказ генетичної ролі нуклеїнових кислот
ЯМР-спектроскопія нуклеїнових кислот полісахаридів і ліпідів
Хімія і Стоматологія Хімія у моїй майбутній професії
Синтез жирних кислот
Функціональні похідні карбонових кислот
Властивості дикарбонових кислот та їх ангідридів
Маслянокислі бактерії як продуценти кислот
Визначення уронових кислот і поліуронідов
© Усі права захищені
написати до нас