Mengapakah molekul asid nukleik dipanggil molekul polimer? Asid nukleik. Struktur dan fungsi

Kementerian Pendidikan dan Sains Persekutuan Rusia

Institusi Pendidikan Autonomi Negeri Persekutuan

Pendidikan tinggi

"UNIVERSITI TEKNOLOGI PENYELIDIKAN KEBANGSAAN KAZAN"

INSTITUT KEJURUTERAAN MAKANAN

JABATAN BIOTEKNOLOGI MAKANAN

ABSTRAK MENGENAI TOPIK

ASID NUKLEIK. DNA dan RNA

Dilengkapkan oleh: Radenko V.

Kumpulan 625 M-52

Asid nukleik - sebatian organik molekul tinggi semula jadi yang memastikan penyimpanan dan penghantaran maklumat keturunan (genetik) dalam organisma hidup. Setiap organisma hidup mengandungi 2 jenis asid nukleik: asid ribonukleik (RNA) dan asid deoksiribonukleik (DNA). Berat molekul asid nukleik terkecil yang diketahui, pemindahan RNA (tRNA), adalah kira-kira 25 kDa. DNA ialah molekul polimer terbesar; berat molekul mereka berbeza dari 1,000 hingga 1,000,000 kDa. DNA dan RNA terdiri daripada unit monomerik - nukleotida, itulah sebabnya asid nukleik dipanggil polinukleotida.

Struktur nukleotida

Setiap nukleotida mengandungi 3 komponen berbeza secara kimia: asas nitrogen heterosiklik, monosakarida (pentose) dan sisa asid fosforik. Bergantung kepada bilangan sisa asid fosforik yang terdapat dalam molekul, monofosfat nukleosida (NMP), difosfat nukleosida (NDP), dan trifosfat nukleosida (NTP) dibezakan (Rajah 4-1). Asid nukleik mengandungi dua jenis bes nitrogen: purin - adenine(A), guanin(G) dan pirimidin - sitosin(DENGAN), timin(T) dan urasil(U). Penomboran atom dalam bes ditulis di dalam kitaran (Rajah 4-2). Pentosa dalam nukleotida adalah sama ada ribosa (dalam RNA) atau deoksiribosa (dalam DNA). Untuk membezakan bilangan atom dalam pentosa daripada penomboran atom dalam bes, rakaman dibuat di luar kitaran dan bilangan perdana (") ditambahkan pada nombor - 1", 2", 3", 4" dan 5" (Gamb. 4-3). Pentosa bersambung ke pangkalan ikatan N-glikosida, dibentuk oleh atom C 1 pentosa (ribosa atau deoksiribosa) dan atom N 1 pirimidin atau atom N 9 purin (Rajah 4-4). Nukleotida di mana pentosa diwakili oleh ribosa dipanggil ribonukleotida, dan asid nukleik yang dibina daripada ribonukleotida dipanggil asid ribonukleik, atau RNA. Asid nukleik yang monomernya termasuk deoksiribosa dipanggil asid deoksiribonukleik, atau DNA. Mengikut strukturnya, asid nukleik dikelaskan sebagai

nasi. 4-1. Nukleosida mono-, di- dan trifosfat adenosin. Nukleotida ialah ester fosforus nukleosida. Sisa asid fosforik dilekatkan pada atom karbon 5" pentosa (5" ikatan fosfoester).

nasi. 4-2. Basa purin dan pirimidin.

nasi. 4-3. Pentosa. Terdapat 2 jenis - β-D-ribose dalam komposisi nukleotida RNA dan β-D-2-deoxyribose dalam komposisi nukleotida DNA.

kelas polimer linear. Tulang belakang asid nukleik mempunyai struktur yang sama sepanjang keseluruhan panjang molekul dan terdiri daripada kumpulan berselang-seli - pentosa-fosfat-pentose- (Rajah 4-5). Kumpulan pembolehubah dalam rantai polinukleotida ialah bes nitrogen - purin dan pirimidin. Molekul RNA termasuk adenine (A), urasil (U), guanine (G) dan sitosin (C), manakala DNA mengandungi adenine (A), timin (T), guanine (G) dan sitosin (C). Struktur unik dan keperibadian fungsi molekul DNA dan RNA ditentukan oleh struktur utamanya - urutan bes nitrogen dalam rantai polinukleotida.

nasi. 4-4. Nukleotida purin dan pirimidin.

nasi. 4-5. Serpihan rantai DNA.

B. Struktur asid deoksiribonukleik (DNA)

Struktur utama DNA - susunan selang seli deoksiribonukleosida monofosfat (dNMP) dalam rantai polinukleotida. Setiap kumpulan fosfat dalam rantai polinukleotida, dengan pengecualian sisa fosforus pada 5" hujung molekul, mengambil bahagian dalam pembentukan dua ikatan ester yang melibatkan 3" dan 5" atom karbon dua deoksiribosa jiran, oleh itu ikatan antara monomer ditetapkan 3", 5" - fosfodiester. Nukleotida terminal DNA dibezakan mengikut struktur: pada hujung 5" terdapat kumpulan fosfat, dan pada hujung 3" rantai terdapat kumpulan OH bebas. Ini hujung dipanggil hujung 5" dan 3". Urutan linear deoxyribonucleotides dalam rantai polimer DNA biasanya disingkatkan menggunakan kod huruf tunggal, contohnya -A-G-C-T-T-A-C-A- daripada 5"- hingga 3"-hujung.

Setiap monomer asid nukleik mengandungi sisa asid fosforik. Pada pH 7 kumpulan fosfat terion sepenuhnya, jadi dalam vivo Asid nukleik wujud sebagai polianion (mempunyai berbilang cas negatif). Sisa pentosa juga menunjukkan sifat hidrofilik. Basa nitrogen hampir tidak larut dalam air, tetapi beberapa atom cincin purin dan pirimidin mampu membentuk ikatan hidrogen.

Struktur sekunder DNA. Pada tahun 1953, J. Watson dan F. Crick mencadangkan model struktur spatial DNA. Menurut model ini, molekul DNA mempunyai bentuk heliks, dibentuk oleh dua rantai polinukleotida yang dipintal relatif antara satu sama lain dan di sekeliling paksi yang sama. Heliks ganda dua tangan kanan, rantai polinukleotida di dalamnya antiselari(Rajah 4-6), i.e. jika salah satu daripadanya berorientasikan ke arah 3"→5", maka yang kedua adalah dalam arah 5"→3". Oleh itu, pada setiap hujung

nasi. 4-6. heliks berganda DNA.

Molekul DNA terdiri daripada dua helai antiselari dengan urutan nukleotida pelengkap. Rantai dipintal relatif antara satu sama lain menjadi lingkaran tangan kanan supaya terdapat kira-kira 10 pasang nukleotida setiap giliran molekul. Semua asas helai DNA terletak di dalam heliks berganda, dan tulang belakang pentosa fosfat berada di luar. Rantai polinukleotida dipegang secara relatif antara satu sama lain disebabkan oleh ikatan hidrogen antara purin pelengkap dan basa nitrogen pirimidin A dan T (dua ikatan) dan antara G dan C (tiga ikatan) (Rajah 4-7). Dengan gabungan ini, setiap pasangan mengandungi tiga cincin, jadi saiz keseluruhan pasangan asas ini adalah sama sepanjang keseluruhan panjang molekul.

nasi. 4-7. Pasangan asas purin-pirimidin dalam DNA.

Ikatan hidrogen dengan kombinasi bes lain dalam sepasang adalah mungkin, tetapi ia jauh lebih lemah. Urutan nukleotida satu rantai adalah pelengkap sepenuhnya kepada urutan nukleotida rantai kedua. Oleh itu, mengikut peraturan Chargaff (Erwin Chargaff pada tahun 1951 membentuk corak dalam nisbah bes purin dan pirimidin dalam molekul DNA), bilangan bes purin (A + G) adalah sama dengan bilangan bes pirimidin (T + C) . Pangkalan pelengkap disusun pada teras heliks. Di antara pangkalan molekul beruntai dua dalam timbunan, interaksi hidrofobik, menstabilkan heliks berganda.

Struktur ini tidak termasuk sentuhan sisa nitrogen dengan air, tetapi timbunan bes tidak boleh menegak sepenuhnya. Pasangan asas diimbangi sedikit antara satu sama lain. Dalam struktur yang terbentuk, dua alur dibezakan - yang besar, lebar 2.2 nm, dan yang kecil, lebar 1.2 nm. Bes nitrogen di kawasan alur utama dan kecil berinteraksi dengan protein tertentu yang terlibat dalam penyusunan struktur kromatin.

Struktur tertier DNA (DNA supercoiling) Setiap molekul DNA dibungkus ke dalam kromosom yang berasingan. Sel diploid manusia mengandungi 46 kromosom. Jumlah panjang DNA semua kromosom dalam sel ialah 1.74 m, tetapi ia dibungkus dalam nukleus yang diameternya berjuta-juta kali lebih kecil. Untuk menempatkan DNA dalam nukleus sel, struktur yang sangat padat mesti dibentuk. Pemadatan dan supercoiling DNA dijalankan menggunakan pelbagai protein yang berinteraksi dengan urutan tertentu dalam struktur DNA. Semua protein yang mengikat DNA eukariotik boleh dibahagikan kepada 2 kumpulan: Gisgon dan protein bukan histon. Kompleks protein dengan DNA nuklear sel dipanggil kromatin.

Sejarah- protein dengan berat molekul 11-21 kDa, mengandungi banyak residu arginin dan lisin. Oleh kerana cas positifnya, histon membentuk ikatan ionik dengan kumpulan fosfat bercas negatif yang terletak di luar heliks berganda DNA. Terdapat 5 jenis histon. Empat histon H2A, H2B, H3 dan H4 membentuk kompleks protein oktamerik (H2A, H2B, H3, H4) 2, yang dipanggil "teras nukleosomal"(dari bahasa Inggeris teras nukleosom). Molekul DNA "berterbangan" ke permukaan oktamer histon, melengkapkan 1.75 pusingan (kira-kira 146 pasangan nukleotida). Kompleks protein histon dengan DNA ini berfungsi sebagai unit struktur utama kromatin, ia dipanggil "nukleosom". DNA yang mengikat zarah nukleosomal dipanggil DNA penghubung. Secara purata, DNA penghubung ialah 60 pasang sisa nukleotida. Molekul histon H1 mengikat DNA di kawasan internukleosomal (jujukan penghubung) dan melindungi kawasan ini daripada tindakan nuklease (Rajah 4-8).

nasi. 4-8. Struktur nukleosom.

Lapan molekul histon (H2A, H2B, H3, H4) 2 membentuk teras nukleosom, di sekelilingnya DNA membentuk kira-kira 1.75 lilitan. DNA. Sisa asid amino lisin, arginin dan kumpulan amino terminal histon boleh diubah suai: asetilasi, fosforilasi, metilasi, atau berinteraksi dengan protein ubiquitin (protein bukan histon). Pengubahsuaian boleh diterbalikkan atau tidak boleh diterbalikkan; ia mengubah cas dan konformasi histon, dan ini menjejaskan interaksi histon antara satu sama lain dan dengan DNA. Aktiviti enzim yang bertanggungjawab untuk pengubahsuaian dikawal dan bergantung pada peringkat kitaran sel. Pengubahsuaian membolehkan penyusunan semula konformasi kromatin mungkin.

Protein kromatin bukan histon. Nukleus sel eukariotik mengandungi beratus-ratus protein bukan histon pengikat DNA yang pelbagai. Setiap protein adalah pelengkap kepada urutan tertentu nukleotida DNA (tapak DNA). Kumpulan ini termasuk keluarga protein khusus tapak jenis "jari zink" (lihat bahagian 1). Setiap "jari zink" mengenali tapak tertentu yang terdiri daripada 5 pasangan nukleotida. Satu lagi keluarga protein khusus tapak ialah homodimer. Serpihan protein sedemikian yang bersentuhan dengan DNA mempunyai struktur heliks-putar-heliks (lihat bahagian 1). Kumpulan protein struktur dan pengawalseliaan yang sentiasa dikaitkan dengan kromatin termasuk protein mobiliti tinggi ( protein HMG- dari bahasa Inggeris, protein gel mobiliti tinggi). Mereka mempunyai berat molekul kurang daripada 30 kDa dan dicirikan oleh kandungan asid amino bercas yang tinggi. Oleh kerana berat molekulnya yang rendah, protein HMG mempunyai mobiliti yang tinggi semasa elektroforesis gel poliakrilamida. Protein bukan histon juga termasuk enzim replikasi, transkripsi dan pembaikan. Dengan penyertaan struktur, protein pengawalseliaan dan enzim yang terlibat dalam sintesis DNA dan RNA, untaian nukleosom ditukar menjadi kompleks protein dan DNA yang sangat pekat. Struktur yang terhasil adalah 10,000 kali lebih pendek daripada molekul DNA asal.

Terdapat tiga makromolekul utama dalam organisma hidup: protein dan dua jenis asid nukleik. Terima kasih kepada mereka, aktiviti penting dan berfungsi dengan baik seluruh badan dikekalkan. Apakah asid nukleik? Mengapa mereka diperlukan? Lebih lanjut mengenai perkara ini kemudian dalam artikel.

maklumat am

Asid nukleik ialah biopolimer, sebatian organik dengan kemolekulan tinggi, yang dibentuk oleh sisa nukleotida. Penghantaran semua maklumat genetik dari generasi ke generasi adalah tugas utama yang dilakukan oleh asid nukleik. Pembentangan di bawah akan menerangkan konsep ini dengan lebih terperinci.

Sejarah kajian

Nukleotida pertama yang dikaji telah diasingkan daripada otot lembu pada tahun 1847 dan dinamakan "asid inosinik." Hasil daripada kajian struktur kimia, didapati bahawa ia adalah riboside-5′-fosfat dan mengandungi ikatan N-glikosidik. Pada tahun 1868, bahan yang dipanggil "nuklein" telah ditemui. Ia ditemui oleh ahli kimia Switzerland Friedrich Miescher semasa penyelidikan mengenai bahan biologi tertentu. Bahan ini termasuk fosforus. Kompaun tersebut mempunyai sifat berasid dan tidak tertakluk kepada penguraian di bawah pengaruh enzim proteolitik.

Bahan tersebut menerima formula C29H49N9O22P3. Andaian tentang penyertaan nuklein dalam proses penghantaran maklumat keturunan dikemukakan hasil penemuan persamaan komposisi kimianya dengan kromatin. Unsur ini merupakan komponen utama kromosom.Istilah “asid nukleik” mula diperkenalkan pada tahun 1889 oleh Richard Altmann. Dialah yang menjadi pengarang kaedah untuk menghasilkan bahan-bahan ini tanpa kekotoran protein.Semasa kajian hidrolisis alkali asid nukleik, Levin dan Jacob mengenal pasti komponen utama produk proses ini. Mereka ternyata nukleotida dan nukleosida. Pada tahun 1921, Lewin mencadangkan bahawa DNA mempunyai struktur tetranukleotida. Namun, hipotesis ini tidak disahkan dan ternyata salah.

Pengelasan

Asid nukleik terdapat dalam dua jenis: DNA dan RNA. Kehadiran mereka terdapat dalam sel semua organisma hidup. DNA terutamanya terdapat dalam nukleus sel. RNA terdapat dalam sitoplasma. Pada tahun 1935, semasa pemecahan lembut DNA, 4 nukleotida pembentuk DNA telah diperolehi. Komponen ini dibentangkan dalam keadaan kristal. Pada tahun 1953, Watstone dan Crick menentukan bahawa DNA mempunyai heliks berganda.

Kaedah pemilihan

Pelbagai kaedah telah dibangunkan untuk mendapatkan sebatian daripada sumber semula jadi. Syarat utama kaedah ini adalah pemisahan asid nukleik dan protein yang berkesan, pemecahan paling sedikit bahan yang diperoleh semasa proses. Hari ini, kaedah klasik digunakan secara meluas. Intipati kaedah ini adalah untuk memusnahkan dinding bahan biologi dan rawatan selanjutnya dengan detergen anionik. Hasilnya ialah mendakan protein, manakala asid nukleik kekal dalam larutan. Kaedah lain juga digunakan. Dalam kes ini, asid nukleik boleh dimendakkan ke dalam keadaan gel dengan menggunakan etanol dan garam. Beberapa berhati-hati harus dilakukan semasa melakukan ini. Khususnya, etanol mesti ditambah dengan berhati-hati kepada larutan garam untuk mendapatkan mendakan gel. Dalam kepekatan apa asid nukleik dibebaskan, apa kekotoran yang terdapat di dalamnya, boleh ditentukan dengan kaedah spektrofotometri. Asid nukleik mudah terdegradasi oleh nuklease, yang merupakan kelas enzim khas. Dengan pengasingan sedemikian, peralatan makmal perlu menjalani rawatan mandatori dengan perencat. Ini termasuk, sebagai contoh, perencat DEPC, yang digunakan dalam pengasingan RNA.

Ciri-ciri fizikal

Asid nukleik mempunyai keterlarutan yang baik dalam air, tetapi hampir tidak larut dalam sebatian organik. Di samping itu, mereka sangat sensitif terhadap suhu dan tahap pH. Molekul asid nukleik dengan berat molekul tinggi boleh dipecahkan oleh nuklease di bawah pengaruh daya mekanikal. Ini termasuk mencampurkan larutan dan menggoncangnya.

Asid nukleik. Struktur dan fungsi

Bentuk polimer dan monomerik bagi sebatian yang dimaksudkan terdapat dalam sel. Bentuk polimer dipanggil polinukleotida. Dalam bentuk ini, rantai nukleotida dihubungkan oleh residu asid fosforik. Oleh kerana kandungan dua jenis molekul heterosiklik yang dipanggil ribosa dan deoksiribosa, masing-masing asid adalah asid ribonukleik dan asid deoksiribonukleik. Dengan bantuan mereka, penyimpanan, penghantaran dan pelaksanaan maklumat keturunan berlaku. Daripada bentuk monomerik asid nukleik, yang paling popular ialah asid trifosforik adenosin. Ia terlibat dalam memberi isyarat dan menyediakan rizab tenaga dalam sel.

DNA

Asid deoksiribonukleik ialah makromolekul. Dengan bantuannya, proses pemindahan dan pelaksanaan maklumat genetik berlaku. Maklumat ini diperlukan untuk perkembangan dan fungsi organisma hidup. Dalam haiwan, tumbuhan, dan kulat, DNA adalah sebahagian daripada kromosom yang terletak di dalam nukleus sel, dan juga terdapat dalam mitokondria dan plastid. Dalam bakteria dan archaea, molekul asid deoksiribonukleik melekat pada membran sel dari dalam. Dalam organisma sedemikian, terutamanya molekul DNA bulat terdapat. Mereka dipanggil "plasmid". Mengikut struktur kimianya, asid deoksiribonukleik ialah molekul polimer yang terdiri daripada nukleotida. Komponen ini pula mengandungi asas nitrogen, gula dan kumpulan fosfat. Ia disebabkan oleh dua unsur terakhir bahawa ikatan terbentuk antara nukleotida, mewujudkan rantai. Pada asasnya, makromolekul DNA dibentangkan dalam bentuk lingkaran dua rantai.

RNA

Asid ribonukleik ialah rantai panjang yang terdiri daripada nukleotida. Mereka mengandungi asas nitrogen, gula ribosa dan kumpulan fosfat. Maklumat genetik dikodkan menggunakan jujukan nukleotida. RNA digunakan untuk memprogramkan sintesis protein. Asid ribonukleik dicipta semasa transkripsi. Ini ialah proses sintesis RNA pada templat DNA. Ia berlaku dengan penyertaan enzim khas. Mereka dipanggil polimerase RNA. Selepas ini, asid ribonukleik templat mengambil bahagian dalam proses terjemahan. Ini adalah bagaimana sintesis protein berlaku pada matriks RNA. Ribosom mengambil bahagian aktif dalam proses ini. Baki RNA menjalani transformasi kimia untuk melengkapkan transkripsi. Hasil daripada perubahan yang berlaku, struktur sekunder dan tertier asid ribonukleik terbentuk. Mereka berfungsi bergantung pada jenis RNA.

Kandungan artikel

ASID NUKLEIK– molekul polimer biologi yang menyimpan semua maklumat tentang organisma hidup individu, menentukan pertumbuhan dan perkembangannya, serta ciri-ciri keturunan yang dihantar kepada generasi seterusnya. Asid nukleik terdapat dalam nukleus sel semua organisma tumbuhan dan haiwan, yang menentukan namanya (lat. . nukleus - teras).

Komposisi rantai polimer asid nukleik.

Rantaian polimer asid nukleik dipasang daripada serpihan asid fosforik H 3 PO 3 dan serpihan molekul heterosiklik yang merupakan terbitan furan. Terdapat hanya dua jenis asid nukleik, setiap satu dibina berdasarkan satu daripada dua jenis heterokitar tersebut - ribosa atau deoksiribosa (Rajah 1).

nasi. 1. STRUKTUR RIBOS DAN DEOKSIRIBOSA.

Nama ribosa (dari Lat. . Rusuk - rusuk, klip kertas) mempunyai penghujung - ose, yang menunjukkan bahawa ia tergolong dalam kelas gula (contohnya, glukosa, fruktosa). Sebatian kedua tidak mempunyai kumpulan OH (kumpulan hidroksi), yang ditandai dengan merah dalam ribosa. Dalam hal ini, sebatian rangkap tiga dipanggil deoksiribosa, iaitu, ribosa tanpa kumpulan oksi.

Rantai polimer, yang dibina daripada serpihan ribosa dan asid fosforik, adalah asas kepada salah satu asid nukleik - asid ribonukleik (RNA). Istilah "asid" dalam nama sebatian ini digunakan kerana salah satu kumpulan berasid OH asid fosforik kekal tidak tersubstitusi, yang memberikan keseluruhan sebatian watak sedikit berasid. Jika deoksiribosa terlibat dalam pembentukan rantai polimer dan bukannya ribosa, maka asid deoksiribonukleik terbentuk, yang mana DNA singkatan yang terkenal lazimnya diterima.

struktur DNA.

Molekul DNA berfungsi sebagai titik permulaan dalam proses pertumbuhan dan perkembangan organisma. Dalam Rajah. Rajah 2 menunjukkan bagaimana dua jenis sebatian permulaan berselang-seli digabungkan menjadi rantai polimer; ia tidak menunjukkan kaedah sintesis, tetapi gambar rajah prinsip pemasangan molekul DNA.

Dalam versi akhir, molekul DNA polimer mengandungi heterokitar yang mengandungi nitrogen dalam bingkai sisi. Empat jenis sebatian tersebut terlibat dalam pembentukan DNA, dua daripadanya ialah kitaran enam anggota, dan dua kitaran terkondensasi, di mana cincin enam anggota dicantumkan kepada satu kitaran lima anggota (Rajah 3).

nasi. 3. STRUKTUR HETEROSIKUL YANG MENGANDUNGI NITROGEN, yang merupakan sebahagian daripada DNA

Pada peringkat kedua pemasangan, sebatian heterosiklik yang mengandungi nitrogen yang ditunjukkan di atas ditambah kepada kumpulan OH bebas deoksiribosa, membentuk loket sisi pada rantai polimer (Rajah 4).

Molekul adenine, timin, guanina dan sitosin yang melekat pada rantai polimer ditentukan oleh huruf pertama nama sebatian asal, iaitu, A, T, G Dan C.

Rantaian polimer DNA itu sendiri mempunyai arah tertentu - apabila bergerak secara mental di sepanjang molekul dalam arah hadapan dan belakang, kumpulan yang sama yang membentuk rantai itu ditemui di sepanjang jalan dalam urutan yang berbeza. Apabila bergerak dalam satu arah dari satu atom fosforus ke yang lain, pertama di sepanjang laluan terdapat kumpulan CH 2, dan kemudian dua kumpulan CH (atom oksigen boleh diabaikan); apabila bergerak ke arah yang bertentangan, urutan kumpulan ini akan menjadi terbalik (Gamb. 5) .

nasi. 5. ORIENTASI RANTAI POLIMER DNA. Apabila menerangkan susunan di mana heterocycles yang dilampirkan bergantian, adalah kebiasaan untuk menggunakan arah langsung, iaitu, dari kumpulan CH 2 ke kumpulan CH.

Konsep "arah untaian" membantu memahami bagaimana dua helai DNA disusun apabila ia digabungkan, dan juga berkaitan secara langsung dengan sintesis protein.

Pada peringkat seterusnya, dua molekul DNA digabungkan, diposisikan supaya permulaan dan penghujung rantai diarahkan ke arah yang bertentangan. Dalam kes ini, heterokitar kedua-dua rantai berhadapan antara satu sama lain dan terletak dalam beberapa cara yang optimum, bermakna ikatan hidrogen timbul antara pasangan kumpulan C=O dan NH 2, serta antara є N dan NH=, yang merupakan sebahagian. daripada heterocycles ( cm. Ikatan HIDROGEN). Dalam Rajah. Rajah 6 menunjukkan bagaimana kedua-dua rantai diposisikan secara relatif antara satu sama lain dan bagaimana ikatan hidrogen timbul antara heterokitar. Perincian yang paling penting ialah pasangan yang disambungkan oleh ikatan hidrogen ditakrifkan dengan ketat: serpihan A sentiasa berinteraksi dengan T, dan serpihan G– sentiasa bersama C. Geometri yang ditakrifkan dengan ketat bagi kumpulan ini membawa kepada fakta bahawa pasangan ini sesuai antara satu sama lain dengan sangat tepat (seperti kunci kepada kunci), sepasang A-T dihubungkan oleh dua ikatan hidrogen, dan pasangan G-C- tiga sambungan.

Ikatan hidrogen nyata lebih lemah daripada ikatan valens biasa, tetapi disebabkan bilangannya yang besar di sepanjang keseluruhan molekul polimer, sambungan kedua-dua rantai menjadi agak kuat. Molekul DNA mengandungi puluhan ribu kumpulan A, T, G Dan C dan susunan selang-selinya dalam satu molekul polimer boleh berbeza, contohnya, dalam bahagian tertentu rantai urutannya boleh kelihatan seperti: - A-A-T-G-C-G-A-T-. Oleh kerana kumpulan yang berinteraksi ditakrifkan dengan ketat, bahagian bertentangan molekul polimer kedua semestinya mempunyai urutan - T-T-A-C-G-C-T-A-. Oleh itu, mengetahui susunan susunan heterokitar dalam satu rantai, seseorang boleh menunjukkan penempatan mereka dalam rantai lain. Daripada surat-menyurat ini ia mengikuti bahawa jumlah bilangan kumpulan dalam molekul DNA berganda A sama dengan bilangan kumpulan T, dan bilangan kumpulan G– kuantiti C(Peraturan E. Chargaff).

Dua molekul DNA yang disambungkan oleh ikatan hidrogen ditunjukkan dalam Rajah. 5 dalam bentuk dua rantai rata, tetapi pada hakikatnya ia disusun secara berbeza. Arah sebenar dalam ruang semua ikatan, ditentukan oleh sudut ikatan dan interaksi hidrogen yang menguncup, membawa kepada lenturan tertentu rantai polimer dan putaran satah heterokitar, yang lebih kurang ditunjukkan dalam serpihan video pertama Rajah. 7 menggunakan formula struktur. Keseluruhan struktur spatial boleh disampaikan dengan lebih tepat hanya dengan bantuan model tiga dimensi (Rajah 7, serpihan video kedua). Dalam kes ini, gambaran yang kompleks timbul, jadi adalah lazim untuk menggunakan imej yang dipermudahkan, yang digunakan secara meluas apabila menggambarkan struktur asid nukleik atau protein. Dalam kes asid nukleik, rantai polimer digambarkan dalam bentuk reben rata, dan kumpulan heterosiklik A, T, G Dan C– dalam bentuk batang sisi atau pukulan valens ringkas, mempunyai warna yang berbeza, atau mengandungi pada penghujungnya sebutan huruf heterokitar yang sepadan (Rajah 7, serpihan video ketiga).

Apabila keseluruhan struktur diputarkan mengelilingi paksi menegak (Rajah 8), bentuk heliks dua molekul polimer jelas kelihatan, seolah-olah dililit pada permukaan silinder; ini adalah heliks berganda DNA yang terkenal.

Dengan imej yang dipermudahkan sedemikian, maklumat utama tidak hilang - susunan pengelompokan silih berganti A, T, G Dan C, yang menentukan keperibadian setiap organisma hidup, semua maklumat direkodkan dalam kod empat huruf.

Struktur rantai polimer dan kehadiran wajib empat jenis heterokitar adalah sama untuk semua wakil dunia yang hidup. Semua haiwan dan tumbuhan yang lebih tinggi mempunyai bilangan pasangan A – T sentiasa agak lebih daripada pasangan G – C. Perbezaan antara DNA mamalia dan DNA tumbuhan ialah mamalia mempunyai sepasang A – T sepanjang keseluruhan rantai berlaku sedikit lebih kerap (kira-kira 1.2 kali) daripada pasangan G – C. Dalam kes tumbuhan, keutamaan untuk pasangan pertama adalah lebih ketara (kira-kira 1.6 kali).

DNA ialah salah satu molekul polimer terbesar yang diketahui hari ini; dalam sesetengah organisma, rantai polimernya terdiri daripada ratusan juta unit. Panjang molekul sedemikian mencapai beberapa sentimeter, yang merupakan nilai yang sangat besar untuk objek molekul. Kerana Oleh kerana keratan rentas molekul hanya 2 nm (1 nm = 10–9 m), perkadarannya boleh dibandingkan dengan rel kereta api sepanjang berpuluh-puluh kilometer.

Sifat kimia DNA.

Dalam air, DNA membentuk larutan likat; apabila larutan tersebut dipanaskan hingga 60 ° C atau apabila terdedah kepada alkali, heliks berganda terpecah menjadi dua rantai komponen, yang boleh bersatu semula jika kita kembali ke keadaan asal. Di bawah keadaan sedikit berasid, hidrolisis berlaku, akibatnya serpihan –P-O-CH 2 sebahagiannya dipecahkan untuk membentuk serpihan –P-OH dan HO-CH 2, masing-masing, mengakibatkan pembentukan monomerik, dimerik (berganda). ) atau asid trimerik (tiga kali ganda), yang merupakan pautan dari mana rantai DNA dipasang (Rajah 9).

nasi. 9. SERPIHAN YANG DIPEROLEHI OLEH PEMECAHAN DNA.

Hidrolisis yang lebih mendalam memungkinkan untuk memisahkan bahagian deoksiribosa daripada asid fosforik, serta kumpulan G daripada deoksiribosa, iaitu, membuka molekul DNA ke dalam komponen konstituennya dengan lebih terperinci. Di bawah tindakan asid kuat (sebagai tambahan kepada penguraian serpihan –P(O)-O-CH 2 -), kumpulan juga dipecahkan A Dan G. Tindakan reagen lain (contohnya, hidrazin) memungkinkan untuk memisahkan kumpulan T Dan C. Pembelahan DNA yang lebih halus kepada komponen dijalankan menggunakan penyediaan biologi - deoxyribonuclease, diasingkan daripada pankreas (akhir - aza sentiasa menunjukkan bahawa bahan itu adalah pemangkin asal biologi - enzim). Bahagian awal nama ialah deoksiribonuklease- menunjukkan sebatian mana enzim ini terurai. Semua kaedah pembelahan DNA ini tertumpu, pertama sekali, pada analisis terperinci komposisinya.

Maklumat terpenting yang terkandung dalam molekul DNA ialah susunan selang-seli kumpulan A, T, G Dan C, ia diperoleh menggunakan teknik yang dibangunkan khas. Untuk tujuan ini, pelbagai jenis enzim telah dicipta yang mencari urutan yang jelas dalam molekul DNA, contohnya, C-T-G-C-A-G(serta turutan yang sepadan pada rantai yang bertentangan G-A-C-G-T-C) dan asingkan ia daripada rantai. Sifat ini dimiliki oleh enzim Pst I (nama dagangan, ia terbentuk daripada nama mikroorganisma itu P rovidencia st uartii, dari mana enzim ini diperolehi). Apabila menggunakan enzim Pal I yang lain, adalah mungkin untuk mencari urutan G-G-C-C. Seterusnya, keputusan yang diperoleh daripada tindakan pelbagai enzim yang berbeza mengikut skema yang telah dibangunkan dibandingkan, sebagai hasilnya adalah mungkin untuk menentukan urutan kumpulan tersebut pada bahagian DNA tertentu. Kini teknik sedemikian telah dibawa ke peringkat penggunaan meluas; ia digunakan dalam pelbagai bidang yang jauh dari penyelidikan biokimia saintifik, contohnya, dalam mengenal pasti sisa-sisa organisma hidup atau mewujudkan tahap hubungan.

struktur RNA

dalam banyak cara mengingatkan DNA, perbezaannya ialah dalam rantaian utama serpihan asid fosforik berselang-seli dengan ribosa, dan bukan dengan deoksiribosa (Rajah). Perbezaan kedua ialah heterokitar urasil ( U) bukannya timin ( T), heterokitar lain A, G Dan C sama dengan DNA. Uracil berbeza daripada timin dengan ketiadaan kumpulan metil yang melekat pada cincin, dalam Rajah. 10 kumpulan metil ini diserlahkan dengan warna merah.

nasi. 10. PERBEZAAN THYMINE DENGAN URACIL– ketiadaan kumpulan metil dalam sebatian kedua, diserlahkan dengan warna merah dalam timin.

Serpihan molekul RNA ditunjukkan dalam Rajah. 11, susunan kumpulan A, U, G Dan C, dan nisbah kuantitatifnya mungkin berbeza.

Rajah 11. SERPIHAN MOLEKUL RNA. Perbezaan utama dari DNA ialah kehadiran kumpulan OH dalam ribosa (merah) dan serpihan urasil (biru).

Rantai polimer RNA adalah kira-kira sepuluh kali lebih pendek daripada DNA. Perbezaan tambahan ialah molekul RNA tidak digabungkan menjadi heliks berganda yang terdiri daripada dua molekul, tetapi biasanya wujud sebagai molekul tunggal, yang di beberapa kawasan boleh membentuk serpihan heliks beruntai dua dengan dirinya sendiri, berselang seli dengan bahagian linear. Di kawasan heliks, interaksi pasangan diperhatikan dengan ketat seperti dalam DNA. Pasangan yang dihubungkan oleh ikatan hidrogen dan membentuk heliks ( A-U Dan G-C), muncul di kawasan yang susunan kumpulan ternyata sesuai untuk interaksi tersebut (Rajah 12).

Bagi sebahagian besar organisma hidup, kandungan kuantitatif pasangan A-U lebih daripada G-C, dalam mamalia 1.5-1.6 kali, dalam tumbuhan - 1.2 kali. Terdapat beberapa jenis RNA, yang mempunyai peranan yang berbeza dalam organisma hidup.

Sifat kimia RNA

menyerupai sifat DNA, bagaimanapun, kehadiran kumpulan OH tambahan dalam ribosa dan kandungan yang lebih rendah (berbanding DNA) bagi kawasan heliks yang stabil menjadikan molekul RNA secara kimia lebih terdedah. Di bawah tindakan asid atau alkali, serpihan utama rantai polimer P(O)-O-CH2 mudah dihidrolisiskan, kumpulan A, U, G Dan C putus dengan lebih mudah. Jika perlu untuk mendapatkan serpihan monomerik (seperti dalam Rajah 9), sambil mengekalkan heterokitar yang dikaitkan secara kimia, enzim halus yang dipanggil ribonculeases digunakan.

Penyertaan DNA dan RNA dalam sintesis protein

– salah satu fungsi utama asid nukleik. Protein adalah komponen terpenting bagi setiap organisma hidup. Otot, organ dalaman, tisu tulang, kulit dan rambut mamalia terdiri daripada protein. Ini adalah sebatian polimer yang terhimpun dalam organisma hidup daripada pelbagai asid amino. Dalam perhimpunan sedemikian, asid nukleik memainkan peranan mengawal; proses itu berlaku dalam dua peringkat, dan dalam setiap daripada mereka faktor penentu ialah orientasi bersama heterokitar DNA dan RNA yang mengandungi nitrogen.

Tugas utama DNA adalah untuk menyimpan maklumat yang direkodkan dan menyediakannya pada saat sintesis protein bermula. Dalam hal ini, peningkatan kestabilan kimia DNA berbanding dengan RNA boleh difahami. Alam semula jadi telah berhati-hati untuk memastikan maklumat asas tidak boleh dilanggar sebaik mungkin.

Pada peringkat pertama, sebahagian daripada heliks berganda terbuka, cawangan yang dibebaskan menyimpang, dan dalam kumpulan A, T, G Dan C, yang ternyata boleh diakses, sintesis RNA bermula, dipanggil RNA messenger, kerana ia, sebagai salinan dari matriks, dengan tepat mengeluarkan semula maklumat yang direkodkan pada bahagian DNA yang didedahkan. Bertentangan dengan kumpulan itu A, kepunyaan molekul DNA, terdapat serpihan RNA utusan masa depan yang mengandungi kumpulan U, semua kumpulan lain terletak bertentangan antara satu sama lain mengikut tepat bagaimana ini berlaku semasa pembentukan heliks berganda DNA (Rajah 13).

Mengikut skema ini, molekul polimer RNA messenger terbentuk, mengandungi beberapa ribu unit monomer.

Pada peringkat kedua, DNA templat bergerak dari nukleus sel ke ruang perinuklear - sitoplasma. RNA messenger yang terhasil disertai oleh RNA pemindahan yang dipanggil, yang membawa (mengangkut) pelbagai asid amino. Setiap RNA pemindahan, dimuatkan dengan asid amino tertentu, menghampiri kawasan RNA utusan yang ditentukan dengan ketat; lokasi yang diingini dikesan menggunakan prinsip yang sama bagi saling koresponden kumpulan A

Perincian penting ialah interaksi sementara antara messenger dan pemindahan RNA berlaku dalam tiga kumpulan sahaja, contohnya, triad C-C-U asid matriks, hanya tiga kali ganda yang sepadan boleh sesuai G-G-A memindahkan RNA, yang pastinya membawa bersamanya asid amino glisin (Rajah 14). Begitu juga untuk triad G-A-U hanya satu set boleh datang dekat C-U-A, hanya mengangkut asid amino leucine. Oleh itu, urutan kumpulan dalam RNA messenger menunjukkan dalam susunan mana asid amino harus digabungkan. Di samping itu, sistem ini mengandungi peraturan pengawalseliaan tambahan dalam bentuk yang dikodkan; beberapa urutan daripada tiga kumpulan RNA messenger menunjukkan bahawa sintesis protein harus berhenti pada ketika ini, i.e. molekul telah mencapai panjang yang diperlukan.

Ditunjukkan dalam Rajah. 14 sintesis protein berlaku dengan penyertaan satu lagi - jenis ketiga asid RNA; ia adalah sebahagian daripada ribosom dan oleh itu ia dipanggil ribosom. Ribosom, yang merupakan ensemble protein RNA ribosom tertentu, memastikan interaksi RNA utusan dan pemindahan, memainkan peranan sebagai tali pinggang penghantar yang menggerakkan RNA utusan selangkah selepas sambungan dua asid amino telah berlaku.

Maksud utama skema dua peringkat yang ditunjukkan dalam Rajah. 13 dan 14, ialah rantai polimer molekul protein dipasang daripada pelbagai asid amino dalam susunan yang dimaksudkan dan dengan ketat mengikut pelan yang ditulis dalam bentuk yang dikodkan pada bahagian DNA tertentu. Oleh itu, DNA mewakili titik permulaan keseluruhan proses yang diprogramkan ini.

Dalam proses kehidupan, protein sentiasa dimakan, dan oleh itu ia dihasilkan semula secara berkala mengikut skema yang diterangkan; keseluruhan sintesis molekul protein, yang terdiri daripada beratus-ratus asid amino, berlaku dalam organisma hidup dalam masa kira-kira satu minit.

Kajian pertama asid nukleik telah dijalankan pada separuh kedua abad ke-19, pemahaman bahawa semua maklumat tentang organisma hidup disulitkan dalam DNA datang pada pertengahan abad ke-20, struktur heliks ganda DNA telah ditubuhkan pada 1953 oleh J. Watson dan F. Crick berdasarkan data analisis difraksi sinar-X, yang diiktiraf sebagai pencapaian saintifik terbesar pada abad ke-20. Pada pertengahan 70-an abad ke-20. Kaedah untuk mentafsir struktur terperinci asid nukleik muncul, dan selepas itu, kaedah untuk sintesis sasaran mereka telah dibangunkan. Hari ini, tidak semua proses yang berlaku dalam organisma hidup yang melibatkan asid nukleik adalah jelas, dan hari ini ini adalah salah satu bidang sains yang paling pesat membangun.

Mikhail Levitsky