Біополімери. Нуклеїнові кислоти ДНК і РНК
Нуклеїнові (<лат. Nucleus ядро) кислоти були відкриті в 1868 р швейцарським біохіміком Ф. Мішером при дослідженні ядерлейкоцитів людини. Їх біологічне значення величезне. У нуклеїнових кислотах зберігається спадкова інформація всього організму. Вони необхідні як для підтримки життя, так і для її відтворення.
Існують два типи нуклеїнових кислот: дезоксірібону-клеіновие (ДНК) і рибонуклеїнових (РНК).
Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК). Основна кількість ДНК зберігається в клітинних ядрах у складі хромосом (<грец. Chroma колір + soma тіло). Мітохондрії і хлоропласти містять невеликі кільцеві молекули ДНК, що несуть інформацію про будову і функціонування цих органел. Просторова структура ДНК була виявлена в 1953 р англійським фізиком Ф. Криком і американським біологом Дж. Уотсоном.
ДНК складається з двох паралельних полімерних ланцюгів, скручених в подвійну правозакрученной спіраль (одна навколо іншої і обидві навколо спільної осі). Кожна ланцюг ДНК – полімер, мономерами якого є нуклеотиди. Чотири види нуклеотидів розрізняються тільки азотистими підставами. У полінуклеотидних ланцюга ДНК молекули дезок-сірібози пов’язані міцними ковалентними зв’язками із залишками фосфорної кислоти сусідніх нуклеотидів. Два ланцюги ДНК зв’язуються один з одним за допомогою водневих зв’язків між азотистими підставами.
Особливості будови молекул азотистих основ дають таку закономірність: підстава А пов’язується тільки з Т, а Г – тільки з Ц. Такий порядок з’єднання енергетично вигідний, оскільки забезпечує найбільшу кількість водневих зв’язків і паралельність ланцюгів ДНК. Нуклеотиди як би доповнюють один одного, утворюючи так звані комплементарні пари А-Т і Г-Ц (<лат. Complementum поповнення).
Оскільки ланцюга ДНК з одного боку закінчуються фосфатом, з іншого – ОН-групою, то кажуть, що ланцюги полярні. Полярність ланцюгів протилежна, тому їх називають антипаралельними. Зчитування інформації (транскрипція, див. § 17) відбувається в протилежних напрямках – з кожного ланцюга в напрямку від 5 – Р-кінця до 3-ОН-кінця (цифри вказують номер атома вуглецю в дезоксирибози, до якого приєднана ОН-група або фосфат на кінцях ланцюгів, рис. на с. 18).
Якщо відомий порядок проходження нуклеотидів в одного ланцюга ДНК, то за принципом комплементарності можна встановити порядок нуклеотидів в іншій ланцюга. Компліментарність ланцюгів дозволяє ДНК реплицироваться (<лат. Replicatio повторення) в дві ідентичні дочірні молекули. Процес подвоєння становить молекулярну основу розмноження всіх організмів.
Реплікація ДНК в клітинах еукаріот починається відразу в багатьох точках (у прокаріотів – в одній), утворюючи тисячі “вічок”. ДНК-полімераза в комплексі з іншими ферментами (більше 15) руйнує слабкі водневі зв’язки між ланцюгами ДНК і, розкручуючи молекулу, подвоює її за принципом комплемен-тарності. Такі ферментні комплекси (реплісоми) розходяться від точок початку реплікації в протилежних напрямках. Полімераза здатна приєднувати нуклеотиди тільки в напрямку зчитування, тому одна з ланцюгів (лідируюча) подовжується безперервно, а інша – переривчасто: у міру зміщення вилки реплікації полімераза починає синтезувати новий фрагмент, завжди в напрямку 5 ‘^ 3′.
Встановивши структуру ДНК, Ф. Крик і Дж. Уотсон припустили, що спадкова інформація закодована послідовністю нуклеотидів, в якій кожному гену відповідає свою ділянку нуклеотидної ланцюга. Пізніше це припущення підтвердилося, з’ясувався також механізм дуже щільною упаковки спіралі ДНК в ядрі з утворенням хромосоми. ДНК людини загальною довжиною 1,8 м міститься в ядрі діаметром 6х1О-0 м.
У структурі ДНК можна, таким чином, виділити два основоположних властивості, завдяки яким ДНК є матеріальною основою спадковості:
– У чергуванні чотирьох нуклеотидів ДНК закодована вся спадкова інформація організму;
– Принцип комплементарності підстав лежить в основі найважливіших генетичних процесів: відтворення (реплікації) ДНК в ряду поколінь, транскрипції (зчитування спадкової інформації) і трансляції (синтезу білків відповідно з цією інформацією), репарації (усунення порушень в структурі ДНК), кросинговеру (дає нові комбінації генів у потомство, забезпечуючи необхідну різноманітність генетичного матеріалу). У наступних параграфах ми зупинимося на цих властивостях ДНК більш докладно.
Особливості будови ДНК спантеличували багатьох вчених: чи могла вона виникнути сама по собі? Нобелівський лауреат Ф. Крик заявив, що “немає ніякої ймовірності мимовільного виникнення життя з хімічних елементів Землі”.
Рибонуклеїнова кислота (РНК). Молекули РНК більшості організмів являють собою одиночну ланцюг нуклео-тідов, схожу за будовою з окремою ланцюгом ДНК. Тільки замість дезоксирибози РНК включає інший моносахарид – ри-Бозу, а замість тиміну – урацил. У деяких патогенних для людини віруси носієм генетичної інформації є дволанцюжкова РНК, влаштована подібно ДНК (реовірус).
Спадкову інформацію, що зберігається в ДНК, реалізують саме РНК. Їх молекули синтезуються на відповідних ділянках однієї з ланцюгів ДНК за принципом компле-ментарной. РНК переносять інформацію про будову білків від хромосом до місця синтезу і безпосередньо беруть участь у складанні білків.
Загальна маса РНК в клітинах перевищує кількість ДНК і варіює залежно від стадії життєвого циклу клітини. Помітно більшу кількість РНК містять клітини, інтенсивно синтезують білки.
Розрізняють три основних типи РНК.
Матричні РНК (мРНК) служать матрицею для синтезу білків. Вони містять інформацію (інша їх назва – “<інформаційні РНК”, іРНК) про первинну структуру синтезованих клітиною білків і переносять її з ядра в цитоплазму до рибосом, які синтезують білки з амінокислот. Матричні РНК включають 100-10 000 нуклеотидів і складають до 5% всієї РНК клітини.
Хвороби (рРНК) входять до складу рибосом, визначають їх пристрій і функціонування, вони містять 3-5 тис. Нуклеотидів. На частку рРНК припадає 85% РНК клітини.
Транспортні РНК (тРНК) мають малі розміри, в їх складі 70-100 нуклеотидів. Основна частина тРНК знаходиться в цито-плазмі, де вони виконують свою функцію – зв’язувати і доставляти амінокислоти до рибосом в процесі синтезу білків.
(2 votes, average: 4.00 out of 5)