Varför kallas nukleinsyramolekyler polymermolekyler? Nukleinsyror. Struktur och funktioner

Ministeriet för utbildning och vetenskap i Ryska federationen

Federal State autonoma utbildningsinstitution

Högre utbildning

"KAZAN NATIONAL RESEARCH TECHNOLOGICAL UNIVERSITY"

INSTITUTE FÖR LIVSMEDELSTEKNIK

INSTÄLLNINGEN FÖR LIVSMEDELSBIOTEKNIK

ABSTRAKT OM ÄMNET

NUKLEINSYROR. DNA och RNA

Kompletterad av: Radenko V.

Grupp 625 M-52

Nukleinsyror - naturliga högmolekylära organiska föreningar som säkerställer lagring och överföring av ärftlig (genetisk) information i levande organismer. Varje levande organism innehåller 2 typer av nukleinsyror: ribonukleinsyra (RNA) och deoxiribonukleinsyra (DNA). Molekylvikten för den minsta kända nukleinsyran, transfer-RNA (tRNA), är ungefär 25 kDa. DNA är den största polymermolekylen; deras molekylvikt varierar från 1 000 till 1 000 000 kDa. DNA och RNA består av monomera enheter - nukleotider, varför nukleinsyror kallas polynukleotider.

Nukleotiders struktur

Varje nukleotid innehåller 3 kemiskt olika komponenter: en heterocyklisk kvävebas, en monosackarid (pentos) och en fosforsyrarest. Beroende på antalet fosforsyrarester som finns i molekylen särskiljs nukleosidmonofosfater (NMP), nukleosiddifosfater (NDP) och nukleosidtrifosfater (NTP) (Fig. 4-1). Nukleinsyror innehåller två typer av kvävehaltiga baser: purin - adenin(A), guanin(G) och pyrimidin - cytosin(MED), tymin(T) och uracil(U). Numreringen av atomerna i baserna skrivs inuti cykeln (Fig. 4-2). Pentoser i nukleotider är antingen ribos (i RNA) eller deoxiribos (i DNA). För att skilja antalet atomer i pentos från numreringen av atomer i baser görs registreringen på utsidan av cykeln och ett primtal (") läggs till talet - 1", 2", 3", 4" och 5" (Fig. 4-3). Pentosen ansluter till basen N-glykosidbindning, bildad av C1-atomen av pentos (ribos eller deoxiribos) och N1-atomen av pyrimidin eller N9-atomen av purin (Fig. 4-4). Nukleotider där pentos representeras av ribos kallas ribonukleotider, och nukleinsyror byggda från ribonukleotider kallas ribonukleinsyror eller RNA. Nukleinsyror vars monomerer inkluderar deoxiribos kallas deoxiribonukleinsyror eller DNA. Enligt deras struktur klassificeras nukleinsyror som

Ris. 4-1. Nukleosidmono-, di- och trifosfater av adenosin. Nukleotider är fosforestrar av nukleosider. Fosforsyraresten är fäst vid 5" kolatomen i pentosen (5" fosforesterbindning).

Ris. 4-2. Purin- och pyrimidinbaser.

Ris. 4-3. Pentoser. Det finns 2 typer - β-D-ribos i sammansättningen av RNA-nukleotider och β-D-2-deoxiribos i sammansättningen av DNA-nukleotider.

klass av linjära polymerer. Nukleinsyraryggraden har samma struktur längs hela molekylens längd och består av alternerande grupper - pentos-fosfat-pentos- (Fig. 4-5). Variabla grupper i polynukleotidkedjor är kvävehaltiga baser - puriner och pyrimidiner. RNA-molekyler inkluderar adenin (A), uracil (U), guanin (G) och cytosin (C), medan DNA innehåller adenin (A), tymin (T), guanin (G) och cytosin (C). Den unika strukturen och funktionella individualiteten hos DNA- och RNA-molekyler bestäms av deras primära struktur - sekvensen av kvävehaltiga baser i polynukleotidkedjan.

Ris. 4-4. Purin- och pyrimidinnukleotider.

Ris. 4-5. Fragment av en DNA-kedja.

B. Struktur för deoxiribonukleinsyra (DNA)

Primär struktur av DNA - ordningen för alternering av deoxiribonukleosidmonofosfater (dNMP) i polynukleotidkedjan. Varje fosfatgrupp i polynukleotidkedjan, med undantag av fosforresten vid 5"-änden av molekylen, deltar i bildningen av två esterbindningar som involverar 3" och 5" kolatomerna i två angränsande deoxiriboser, därför bindningen mellan monomererna betecknas 3", 5" - fosfodiester. De terminala nukleotiderna i DNA särskiljs genom struktur: vid 5"-änden finns en fosfatgrupp, och vid 3"-änden av kedjan finns en fri OH-grupp. Dessa ändar kallas 5" och 3" ändar. Linjär sekvens av deoxiribonukleotider i DNA-polymerkedjan förkortas vanligtvis med en enbokstavskod, till exempel -A-G-C-T-T-A-C-A- från 5"- till 3"-änden.

Varje nukleinsyramonomer innehåller en fosforsyrarest. Vid pH 7 är fosfatgruppen fullständigt joniserad, alltså in vivo Nukleinsyror existerar som polyanjoner (har flera negativa laddningar). Pentosrester uppvisar också hydrofila egenskaper. Kvävebaser är nästan olösliga i vatten, men vissa atomer i purin- och pyrimidinringarna kan bildas vätebindningar.

Sekundär struktur av DNA. 1953 föreslog J. Watson och F. Crick en modell av DNA:s rumsliga struktur. Enligt denna modell har DNA-molekylen formen av en helix, bildad av två polynukleotidkedjor vridna i förhållande till varandra och runt en gemensam axel. Dubbel helix högerhänt, polynukleotidkedja i den antiparallell(Fig. 4-6), dvs. om en av dem är orienterad i riktningen 3"→5", så är den andra i riktningen 5"→3". Därför i varje ände

Ris. 4-6. DNA dubbelhelix.

DNA-molekyler består av två antiparallella strängar med en komplementär nukleotidsekvens. Kedjorna vrids i förhållande till varandra till en högerhänt spiral så att det blir ungefär 10 par nukleotider per varv av molekylen. Alla baserna i DNA-strängarna är belägna inuti dubbelspiralen, och pentosfosfatryggraden är utanför. Polynukleotidkedjor hålls i förhållande till varandra på grund av vätebindningar mellan komplementära purin- och pyrimidinkvävebaser A och T (två bindningar) och mellan G och C (tre bindningar) (fig. 4-7). Med denna kombination innehåller varje par tre ringar, så den totala storleken på dessa baspar är densamma längs hela längden av molekylen.

Ris. 4-7. Purin-pyrimidin baspar i DNA.

Vätebindningar med andra kombinationer av baser i ett par är möjliga, men de är mycket svagare. Nukleotidsekvensen för en kedja är fullständigt komplementär till nukleotidsekvensen för den andra kedjan. Därför, enligt Chargaffs regel (Erwin Chargaff 1951 etablerade mönster i förhållandet mellan purin- och pyrimidinbaser i en DNA-molekyl), är antalet purinbaser (A + G) lika med antalet pyrimidinbaser (T + C) . Kompletterande baser är staplade i kärnan av helixen. Mellan baserna av en dubbelsträngad molekyl i en stapel, hydrofoba interaktioner, stabilisera dubbelhelixen.

Denna struktur utesluter kontakt av kvävehaltiga rester med vatten, men stapeln av baser kan inte vara absolut vertikal. Basparen är något förskjutna från varandra. I den formade strukturen särskiljs två spår - en stor, 2,2 nm bred och en liten, 1,2 nm bred. Kvävebaser i området för de större och mindre spåren interagerar med specifika proteiner som är involverade i att organisera kromatinstrukturen.

Tertiär struktur av DNA (DNA supercoiling) Varje DNA-molekyl är förpackad i en separat kromosom. Humana diploida celler innehåller 46 kromosomer. Den totala längden på DNA:t för alla kromosomer i en cell är 1,74 m, men den är förpackad i en kärna vars diameter är miljontals gånger mindre. För att lokalisera DNA i cellkärnan måste en mycket kompakt struktur bildas. DNA-komprimering och supercoiling utförs med användning av en mängd olika proteiner som interagerar med vissa sekvenser i DNA-strukturen. Alla proteiner som binder till eukaryot DNA kan delas in i två grupper: Gisgon och icke-histonproteiner. Komplexet av proteiner med cellernas kärn-DNA kallas kromatin.

Histoner- proteiner med en molekylvikt på 11-21 kDa, innehållande många arginin- och lysinrester. På grund av sin positiva laddning bildar histoner jonbindningar med negativt laddade fosfatgrupper placerade på utsidan av DNA-dubbelhelixen. Det finns 5 typer av histoner. Fyra histoner H2A, H2B, H3 och H4 bildar ett oktameriskt proteinkomplex (H2A, H2B, H3, H4) 2, som kallas "nukleosomal kärna"(från engelska nukleosomkärna). DNA-molekylen "slingrar sig" på ytan av histonoktameren och slutför 1,75 varv (cirka 146 nukleotidpar). Detta komplex av histonproteiner med DNA fungerar som den huvudsakliga strukturella enheten för kromatin, det kallas "nukleosom". Det DNA som binder nukleosomala partiklar kallas länk-DNA. I genomsnitt är linker-DNA 60 par nukleotidrester. Histon H1-molekyler binder till DNA i internukleosomala regioner (länksekvenser) och skyddar dessa regioner från verkan av nukleaser (fig. 4-8).

Ris. 4-8. Nukleosomstruktur.

Åtta histonmolekyler (H2A, H2B, H3, H4) 2 utgör kärnan i nukleosomen, runt vilken DNA:t bildar cirka 1,75 varv. DNA. Aminosyrarester av lysin, arginin och terminala aminogrupper i histoner kan modifieras: acetyleras, fosforyleras, metyleras eller interagerar med proteinet ubiquitin (icke-histonprotein). Modifieringar kan vara reversibla eller irreversibla; de ändrar laddningen och konformationen av histoner, och detta påverkar histoners interaktion med varandra och med DNA. Aktiviteten hos de enzymer som ansvarar för modifieringar är reglerad och beror på stadiet i cellcykeln. Modifieringar gör konformationella omarrangemang av kromatin möjliga.

Icke-histonkromatinproteiner. Kärnan i en eukaryot cell innehåller hundratals olika DNA-bindande icke-histonproteiner. Varje protein är komplementärt till en specifik sekvens av DNA-nukleotider (DNA-plats). Denna grupp inkluderar familjen av platsspecifika proteiner av typen "zinkfinger" (se avsnitt 1). Varje "zinkfinger" känner igen en specifik plats som består av 5 nukleotidpar. En annan familj av platsspecifika proteiner är homodimerer. Fragmentet av ett sådant protein i kontakt med DNA har en helix-turn-helix-struktur (se avsnitt 1). Gruppen av strukturella och regulatoriska proteiner som ständigt associeras med kromatin inkluderar högrörlighetsproteiner ( HMG-proteiner- från engelska, gelproteiner med hög rörlighet). De har en molekylvikt på mindre än 30 kDa och kännetecknas av ett högt innehåll av laddade aminosyror. På grund av sin låga molekylvikt har HMG-proteiner hög rörlighet under polyakrylamidgelelektrofores. Icke-histonproteiner inkluderar också replikations-, transkriptions- och reparationsenzymer. Med deltagande av strukturella, regulatoriska proteiner och enzymer involverade i syntesen av DNA och RNA, omvandlas nukleosomsträngen till ett mycket kondenserat komplex av proteiner och DNA. Den resulterande strukturen är 10 000 gånger kortare än den ursprungliga DNA-molekylen.

Det finns tre huvudsakliga makromolekyler i en levande organism: proteiner och två typer av nukleinsyror. Tack vare dem upprätthålls den vitala aktiviteten och väl fungerande hela kroppen. Vad är nukleinsyror? Varför behövs de? Mer om detta senare i artikeln.

allmän information

Nukleinsyra är en biopolymer, en organisk förening med hög molekyläritet, som bildas av nukleotidrester. Överföring av all genetisk information från generation till generation är den huvudsakliga uppgiften som utförs av nukleinsyror. Presentationen nedan kommer att förklara detta koncept mer i detalj.

Studiens historia

Den första nukleotiden som studerades isolerades från bovin muskel 1847 och fick namnet "inosinsyra". Som ett resultat av att studera den kemiska strukturen avslöjades det att det är ett ribosid-5′-fosfat och innehåller en N-glykosidbindning.1868 upptäcktes ett ämne som heter "nuklein". Det upptäcktes av den schweiziska kemisten Friedrich Miescher under forskning om vissa biologiska ämnen. Detta ämne inkluderade fosfor. Föreningen hade sura egenskaper och var inte föremål för nedbrytning under påverkan av proteolytiska enzymer.

Ämnet fick formeln C29H49N9O22P3. Antagandet om deltagande av nuklein i processen att överföra ärftlig information lades fram som ett resultat av upptäckten av likheten mellan dess kemiska sammansättning med kromatin. Detta element är huvudkomponenten i kromosomerna Termen "nukleinsyra" introducerades först 1889 av Richard Altmann. Det var han som blev författaren till metoden för att producera dessa ämnen utan proteinföroreningar.Under studien av alkalisk hydrolys av nukleinsyror identifierade Levin och Jacob huvudkomponenterna i produkterna från denna process. De visade sig vara nukleotider och nukleosider. 1921 föreslog Lewin att DNA har en tetranukleotidstruktur. Denna hypotes bekräftades dock inte och visade sig vara felaktig.

Klassificering

Nukleinsyror finns i två typer: DNA och RNA. Deras närvaro finns i cellerna hos alla levande organismer. DNA finns främst i cellkärnan. RNA finns i cytoplasman. 1935, under den mjuka fragmenteringen av DNA, erhölls 4 DNA-bildande nukleotider. Dessa komponenter presenteras i ett kristallint tillstånd. 1953 bestämde Watstone och Crick att DNA har en dubbel helix.

Urvalsmetoder

Olika metoder har utvecklats för att erhålla föreningar från naturliga källor. Huvudvillkoren för dessa metoder är den effektiva separationen av nukleinsyror och proteiner, den minsta fragmenteringen av ämnen som erhålls under processen. Idag används den klassiska metoden flitigt. Kärnan i denna metod är att förstöra väggarna av biologiskt material och deras vidare behandling med ett anjoniskt rengöringsmedel. Resultatet är en proteinfällning, medan nukleinsyrorna förblir i lösning. En annan metod används också. I detta fall kan nukleinsyrorna fällas ut till ett geltillstånd genom att använda etanol och saltlösning. Viss försiktighet bör iakttas när du gör detta. I synnerhet måste etanol tillsättas med stor försiktighet till saltlösningen för att få en gelfällning. I vilken koncentration nukleinsyran frisätts, vilka föroreningar som finns i den, kan bestämmas med den spektrofotometriska metoden. Nukleinsyror bryts lätt ned av nukleaser, som är en speciell klass av enzymer. Med en sådan isolering är det nödvändigt att laboratorieutrustning genomgår obligatorisk behandling med inhibitorer. Dessa inkluderar till exempel en DEPC-hämmare, som används vid RNA-isolering.

Fysikaliska egenskaper

Nukleinsyror har god löslighet i vatten, men är nästan olösliga i organiska föreningar. Dessutom är de särskilt känsliga för temperatur och pH-nivåer. Nukleinsyramolekyler med hög molekylvikt kan fragmenteras av nukleas under inverkan av mekaniska krafter. Dessa inkluderar att blanda lösningen och skaka den.

Nukleinsyror. Struktur och funktioner

Polymera och monomera former av föreningarna i fråga finns i celler. De polymera formerna kallas polynukleotider. I denna form är nukleotidkedjorna sammanlänkade av en fosforsyrarest. På grund av innehållet av två typer av heterocykliska molekyler som kallas ribos och deoxiribos, är syrorna ribonukleinsyror respektive deoxiribonukleinsyror. Med deras hjälp sker lagring, överföring och implementering av ärftlig information. Av de monomera formerna av nukleinsyror är den mest populära adenosintrifosforsyra. Det är involverat i signalering och tillhandahåller energireserver i cellen.

DNA

Deoxiribonukleinsyra är en makromolekyl. Med dess hjälp sker processen att överföra och implementera genetisk information. Denna information är nödvändig för en levande organisms utveckling och funktion. Hos djur, växter och svampar är DNA en del av kromosomerna som finns i cellkärnan och finns även i mitokondrier och plastider. Hos bakterier och archaea klamrar sig deoxiribonukleinsyramolekylen fast vid cellmembranet från insidan. I sådana organismer finns huvudsakligen cirkulära DNA-molekyler. De kallas "plasmider". Enligt sin kemiska struktur är deoxiribonukleinsyra en polymermolekyl som består av nukleotider. Dessa komponenter innehåller i sin tur en kvävebas, socker och en fosfatgrupp. Det är på grund av de två sista elementen som en bindning bildas mellan nukleotider, vilket skapar kedjor. I grund och botten presenteras DNA-makromolekylen i form av en spiral av två kedjor.

RNA

Ribonukleinsyra är en lång kedja som består av nukleotider. De innehåller en kvävebas, ribossocker och en fosfatgrupp. Genetisk information kodas med hjälp av en sekvens av nukleotider. RNA används för att programmera proteinsyntes. Ribonukleinsyra skapas under transkription. Detta är processen för RNA-syntes på en DNA-mall. Det sker med deltagande av speciella enzymer. De kallas RNA-polymeraser. Efter detta deltar mallribonukleinsyrorna i translationsprocessen. Det är så proteinsyntesen sker på RNA-matrisen. Ribosomer deltar aktivt i denna process. De återstående RNA genomgår kemiska transformationer för att fullborda transkriptionen. Som ett resultat av de förändringar som inträffar bildas de sekundära och tertiära strukturerna av ribonukleinsyra. De fungerar beroende på typen av RNA.

Innehållet i artikeln

NUKLEINSYROR– biologiska polymermolekyler som lagrar all information om en enskild levande organism, bestämmer dess tillväxt och utveckling, såväl som ärftliga egenskaper som överförs till nästa generation. Nukleinsyror finns i cellkärnorna hos alla växt- och djurorganismer, som bestämde deras namn (lat. . kärna - kärna).

Sammansättning av polymerkedjan av nukleinsyror.

Polymerkedjan av nukleinsyror är sammansatt av fragment av fosforsyra H 3 PO 3 och fragment av heterocykliska molekyler som är derivat av furan. Det finns bara två typer av nukleinsyror, var och en uppbyggd på basis av en av två typer av sådana heterocykler - ribos eller deoxiribos (fig. 1).

Ris. 1. STRUKTUR AV RIBOS OCH DEOXYRIBOS.

Namnet ribose (från lat. . Ribb - revben, gem) har ändelsen - ose, vilket indikerar att det tillhör klassen av sockerarter (till exempel glukos, fruktos). Den andra föreningen har ingen OH-grupp (hydroxigrupp), som är markerad med rött i ribos. I detta avseende kallas trippelföreningen deoxiribos, d.v.s. ribos som saknar en oxigrupp.

Polymerkedjan, byggd av fragment av ribos och fosforsyra, är grunden för en av nukleinsyrorna - ribonukleinsyra (RNA). Termen "syra" i namnet på denna förening används eftersom en av de sura grupperna OH i fosforsyra förblir osubstituerad, vilket ger hela föreningen en något sur karaktär. Om deoxiribos är involverad i bildningen av polymerkedjan istället för ribos, så bildas deoxiribonukleinsyra, för vilken den välkända förkortningen DNA är allmänt accepterad.

DNA-struktur.

DNA-molekylen fungerar som utgångspunkten i processen för tillväxt och utveckling av organismen. I fig. Figur 2 visar hur två typer av alternerande utgångsföreningar kombineras till en polymerkedja; den visar inte syntesmetoden, utan principdiagrammet för sammansättningen av en DNA-molekyl.

I den slutliga versionen innehåller polymer-DNA-molekylen kvävehaltiga heterocykler i sidoramen. Fyra typer av sådana föreningar är involverade i bildningen av DNA, två av dem är sexledade cykler och två är kondenserade cykler, där en sexledad ring är sammansmält med en femledad ring (fig. 3).

Ris. 3. STRUKTUR HOS KVÄVEHÅLLANDE HETEROCYKLAR, som är en del av DNA

I det andra steget av monteringen tillsätts de kvävehaltiga heterocykliska föreningarna som visas ovan till de fria OH-grupperna av deoxiribos, vilket bildar sidohängen på polymerkedjan (fig. 4).

Molekylerna adenin, tymin, guanin och cytosin fästa vid polymerkedjan betecknas med de första bokstäverna i namnen på de ursprungliga föreningarna, det vill säga A, T, G Och C.

Själva polymerkedjan av DNA har en viss riktning - när man mentalt rör sig längs molekylen i framåt- och bakåtriktningen, påträffas samma grupper som utgör kedjan längs vägen i olika sekvenser. När man rör sig i en riktning från en fosforatom till en annan, finns det först längs vägen en CH 2 -grupp och sedan två CH-grupper (syreatomer kan ignoreras); när man rör sig i motsatt riktning kommer sekvensen av dessa grupper att vara omvänd (fig. 5).

Ris. 5. ORIENTERING AV POLYMERKEDJAN AV DNA. När man beskriver den ordning i vilken de bifogade heterocyklerna alternerar, är det vanligt att använda den direkta riktningen, det vill säga från CH2-gruppen till CH-grupperna.

Själva konceptet "strängriktning" hjälper till att förstå hur två DNA-strängar är ordnade när de kombineras, och är också direkt relaterat till proteinsyntes.

I nästa steg kombineras två DNA-molekyler, placerade så att början och ändarna av kedjorna är riktade i motsatta riktningar. I det här fallet står de två kedjornas heterocykler vända mot varandra och är placerade på något optimalt sätt, vilket innebär att vätebindningar uppstår mellan par av C=O- och NH 2-grupper, samt mellan є N och NH=, som är en del av heterocyklerna ( centimeter. VÄTEBINDNING). I fig. Figur 6 visar hur de två kedjorna är placerade i förhållande till varandra och hur vätebindningar uppstår mellan heterocyklerna. Den viktigaste detaljen är att paren sammankopplade med vätebindningar är strikt definierade: fragment A interagerar alltid med T och fragmentet G– alltid med C. Den strikt definierade geometrin hos dessa grupper leder till att dessa par passar varandra extremt exakt (som en nyckel till ett lås), ett par PÅ sammankopplade med två vätebindningar, och paret G-C- tre anslutningar.

Vätebindningar är märkbart svagare än vanliga valensbindningar, men på grund av deras stora antal längs hela polymermolekylen blir kopplingen mellan de två kedjorna ganska stark. En DNA-molekyl innehåller tiotusentals grupper A, T, G Och C och ordningen för deras alternering inom en polymermolekyl kan vara olika, till exempel i en viss del av kedjan kan sekvensen se ut: - A-A-T-G-C-G-A-T-. Eftersom de interagerande grupperna är strikt definierade, kommer den motsatta sektionen av den andra polymermolekylen nödvändigtvis ha sekvensen - T-T-A-C-G-C-T-A-. Genom att känna till ordningen för arrangemang av heterocykler i en kedja kan man således indikera deras placering i en annan kedja. Av denna överensstämmelse följer att det totala antalet grupper i en dubbel DNA-molekyl A lika med antalet grupper T och antalet grupper G– kvantitet C(E. Chargaffs regel).

Två DNA-molekyler förbundna med vätebindningar visas i fig. 5 i form av två platt liggande kedjor, men i verkligheten är de ordnade olika. Den verkliga riktningen i rymden för alla bindningar, bestämd av bindningsvinklar och sammandragande väteinteraktioner, leder till en viss böjning av polymerkedjorna och rotation av heterocykelplanet, vilket ungefär visas i det första videofragmentet i fig. 7 med hjälp av strukturformeln. Hela den rumsliga strukturen kan förmedlas mycket mer exakt endast med hjälp av tredimensionella modeller (Fig. 7, andra videofragment). I det här fallet uppstår en komplex bild, så det är vanligt att använda förenklade bilder, som används särskilt ofta när man skildrar strukturen av nukleinsyror eller proteiner. När det gäller nukleinsyror avbildas polymerkedjor i form av platta band och heterocykliska grupper A, T, G Och C– i form av sidostavar eller enkla valensdrag, med olika färger, eller som i slutet innehåller bokstavsbeteckningarna för motsvarande heterocykler (fig. 7, tredje videofragment).

När hela strukturen roteras runt den vertikala axeln (fig. 8) är den spiralformade formen av två polymermolekyler tydligt synlig, som om den var lindad på cylinderns yta, detta är den välkända dubbelspiralen av DNA.

Med en sådan förenklad bild försvinner inte huvudinformationen - ordningen för grupperingsväxling A, T, G Och C, som bestämmer individualiteten hos varje levande organism, registreras all information i en kod med fyra bokstäver.

Strukturen av polymerkedjan och den obligatoriska närvaron av fyra typer av heterocykler är desamma för alla representanter för den levande världen. Alla djur och högre växter har antalet par A – T alltid något mer än ett par G – C. Skillnaden mellan däggdjurs-DNA och växt-DNA är att däggdjur har ett par A – T längs hela kedjans längd förekommer något oftare (cirka 1,2 gånger) än paret G – C. När det gäller växter är preferensen för det första paret mycket mer uttalad (cirka 1,6 gånger).

DNA är en av de största polymermolekylerna som är kända idag; i vissa organismer består dess polymerkedja av hundratals miljoner enheter. Längden på en sådan molekyl når flera centimeter, vilket är ett mycket stort värde för molekylära föremål. Därför att Eftersom molekylens tvärsnitt endast är 2 nm (1 nm = 10–9 m) kan dess proportioner jämföras med en tiotals kilometer lång järnvägsräls.

Kemiska egenskaper hos DNA.

I vatten bildar DNA viskösa lösningar; när sådana lösningar värms upp till 60 ° C eller när de utsätts för alkalier, bryts dubbelspiralen upp i två komponentkedjor, som igen kan förenas om vi återgår till de ursprungliga förhållandena. Under svagt sura förhållanden sker hydrolys, som ett resultat av vilket –P-O-CH 2-fragmenten delvis bryts ned för att bilda –P-OH- respektive HO-CH 2-fragmenten, vilket resulterar i bildningen av monomera, dimera (dubbel) ) eller trimera (trippel) syror, som är länkar från vilka DNA-kedjan sattes ihop (Fig. 9).

Ris. 9. FRAGMENT SOM ERHÅLLS GENOM DNA-KLYVNING.

Djupare hydrolys gör det möjligt att separera deoxiribossektionerna från fosforsyran, såväl som gruppen G från deoxiribos, d.v.s. demontera DNA-molekylen till dess beståndsdelar mer detaljerat. Under inverkan av starka syror (utöver sönderdelningen av fragment -P(O)-O-CH 2 -), spjälkas även grupper av A Och G. Verkan av andra reagens (till exempel hydrazin) gör det möjligt att separera grupper T Och C. En mer delikat klyvning av DNA till komponenter utförs med hjälp av ett biologiskt preparat - deoxiribonukleas, isolerat från bukspottkörteln (slut - aza indikerar alltid att ämnet är en katalysator av biologiskt ursprung - ett enzym). Den inledande delen av namnet är deoxiribonukleas- indikerar vilken förening detta enzym bryter ner. Alla dessa metoder för DNA-klyvning fokuserar först och främst på en detaljerad analys av dess sammansättning.

Den viktigaste informationen i en DNA-molekyl är ordningen för växling av grupper A, T, G Och C, den erhålls med hjälp av speciellt utvecklade tekniker. För detta ändamål har en lång rad enzymer skapats som hittar en strikt definierad sekvens i DNA-molekylen, t.ex. C-T-G-C-A-G(samt motsvarande sekvens på den motsatta kedjan G-A-C-G-T-C) och isolera den från kedjan. Denna egenskap innehas av enzymet Pst I (varunamn, det bildas av namnet på den mikroorganismen P rovidencia st uartii, från vilken detta enzym erhålls). När man använder ett annat enzym Pal I är det möjligt att hitta sekvensen G-G-C-C. Därefter jämförs resultaten som erhålls från verkan av ett brett spektrum av olika enzymer enligt ett förutvecklat schema, som ett resultat är det möjligt att bestämma sekvensen av sådana grupper på en viss DNA-sektion. Nu har sådana tekniker förts till ett stadium av utbredd användning, de används inom en mängd olika områden långt från vetenskaplig biokemisk forskning, till exempel för att identifiera rester av levande organismer eller fastställa graden av släktskap.

RNA struktur

påminner på många sätt om DNA, skillnaden är att i huvudkedjan växlar fosforsyrafragment med ribos, och inte med deoxiribos (Fig.). Den andra skillnaden är att en uracil heterocykel ( U) istället för tymin ( T), andra heterocykler A, G Och C samma som för DNA. Uracil skiljer sig från tymin i frånvaro av en metylgrupp fäst vid ringen, i fig. 10 är denna metylgrupp markerad i rött.

Ris. 10. SKILLNAD TYMIN FRÅN URACIL– frånvaron av en metylgrupp i den andra föreningen, markerad i rött i tymin.

Ett fragment av en RNA-molekyl visas i fig. 11, grupperingsordning A, U, G Och C, och deras kvantitativa förhållande kan vara annorlunda.

Fig. 11. FRAGMENT AV EN RNA-MOLEKYL. Den största skillnaden från DNA är närvaron av OH-grupper i ribos (röd) och ett uracilfragment (blått).

Polymerkedjan i RNA är ungefär tio gånger kortare än den för DNA. En ytterligare skillnad är att RNA-molekyler inte kombineras till dubbla helixar bestående av två molekyler, utan oftast existerar som en enda molekyl, som i vissa områden kan bilda dubbelsträngade spiralformiga fragment med sig själv, alternerande med linjära sektioner. I spiralformade regioner observeras interaktionen av par lika strikt som i DNA. Par sammankopplade med vätebindningar och bildar en helix ( A-U Och G-C), visas i de områden där arrangemanget av grupper visar sig vara gynnsamt för sådan interaktion (fig. 12).

För de allra flesta levande organismer, det kvantitativa innehållet av par A-U mer än G-C, hos däggdjur 1,5–1,6 gånger, hos växter – 1,2 gånger. Det finns flera typer av RNA, som har olika roller i en levande organism.

Kemiska egenskaper hos RNA

liknar egenskaperna hos DNA, men närvaron av ytterligare OH-grupper i ribos och det lägre (jämfört med DNA) innehållet i stabiliserade spiralformade regioner gör RNA-molekyler kemiskt mer sårbara. Under inverkan av syror eller alkalier hydrolyseras huvudfragmenten av polymerkedjan P(O)-O-CH2 lätt, grupper A, U, G Och C bryta av lättare. Om det är nödvändigt att erhålla monomera fragment (som de i fig. 9), samtidigt som kemiskt kopplade heterocykler bibehålls, används känsliga enzymer som kallas ribonkulaser.

Deltagande av DNA och RNA i proteinsyntes

– en av nukleinsyrors huvudfunktioner. Proteiner är de viktigaste komponenterna i varje levande organism. Muskler, inre organ, benvävnad, hud och hår hos däggdjur består av proteiner. Dessa är polymerföreningar som är sammansatta i en levande organism från olika aminosyror. I en sådan sammansättning spelar nukleinsyror en kontrollerande roll, processen sker i två steg, och i vart och ett av dem är den avgörande faktorn den ömsesidiga orienteringen av de kvävehaltiga heterocyklerna av DNA och RNA.

DNA:s huvuduppgift är att lagra registrerad information och tillhandahålla den i det ögonblick då proteinsyntesen börjar. I detta avseende är den ökade kemiska stabiliteten hos DNA jämfört med RNA förståelig. Naturen har sett till att hålla grundläggande information så okränkbar som möjligt.

I det första skedet öppnar sig en del av dubbelspiralen, de frigjorda grenarna divergerar och i grupper A, T, G Och C, som visade sig vara tillgänglig, börjar syntesen av RNA, kallad budbärar-RNA, eftersom det, som en kopia från matrisen, exakt återger informationen som registrerats på den avslöjade DNA-sektionen. Mitt emot gruppen A, som tillhör DNA-molekylen, det finns ett fragment av det framtida budbärar-RNA:t som innehåller gruppen U, är alla andra grupper belägna mitt emot varandra i exakt överensstämmelse med hur detta sker under bildandet av en DNA-dubbelhelix (Fig. 13).

Enligt detta schema bildas en polymermolekyl av budbärar-RNA, som innehåller flera tusen monomerenheter.

I det andra steget flyttar mall-DNA:t från cellkärnan till det perinukleära utrymmet - cytoplasman. Det resulterande budbärar-RNA:n åtföljs av så kallade transfer-RNA, som bär (transporterar) olika aminosyror. Varje överförings-RNA, laddat med en specifik aminosyra, närmar sig en strikt bestämd region av budbärar-RNA:t; den önskade platsen detekteras med samma princip för gruppinterkorrespondens A

En viktig detalj är att den tillfälliga interaktionen mellan budbärare och överförings-RNA förekommer i endast tre grupper, till exempel triaden C-C-U matrissyra, kan endast motsvarande trippel vara lämplig G-G-A transfer-RNA, som säkerligen bär med sig aminosyran glycin (fig. 14). Likaså för triaden G-A-U bara ett set kan komma nära C-U-A transporterar endast aminosyran leucin. Således anger sekvensen av grupper i budbärar-RNA:t i vilken ordning aminosyrorna ska kombineras. Dessutom innehåller systemet ytterligare regulatoriska regler i kodad form; vissa sekvenser från tre grupper av budbärar-RNA indikerar att proteinsyntesen bör stoppa vid denna punkt, dvs. molekylen har nått önskad längd.

Visat i fig. 14 proteinsyntes sker med deltagande av ytterligare en - den tredje typen av RNA-syror; de är en del av ribosomer och därför kallas de ribosomala. Ribosomen, som är en ensemble av vissa ribosomala RNA-proteiner, säkerställer interaktionen mellan budbäraren och överförings-RNA, och spelar rollen som ett transportband som förflyttar budbärar-RNA:t ett steg efter att två aminosyror har kopplats samman.

Huvudinnebörden av tvåstegsschemat som visas i fig. 13 och 14, är att polymerkedjan i en proteinmolekyl är sammansatt av olika aminosyror i avsedd ordning och strikt enligt planen som skrevs i kodad form på en viss del av DNA. Således representerar DNA utgångspunkten för hela denna programmerade process.

Under livets process konsumeras proteiner ständigt, och därför reproduceras de regelbundet enligt det beskrivna schemat; hela syntesen av en proteinmolekyl, bestående av hundratals aminosyror, äger rum i en levande organism inom cirka en minut.

De första studierna av nukleinsyror utfördes under andra hälften av 1800-talet, förståelsen att all information om en levande organism är krypterad i DNA kom i mitten av 1900-talet, strukturen av dubbelhelixen av DNA etablerades i 1953 av J. Watson och F. Crick baserat på dataröntgendiffraktionsanalys, som anses vara den största vetenskapliga bedriften under 1900-talet. I mitten av 70-talet av 1900-talet. Metoder för att dechiffrera den detaljerade strukturen av nukleinsyror dök upp, och efter det utvecklades metoder för deras målinriktade syntes. Idag är inte alla processer som förekommer i levande organismer som involverar nukleinsyror tydliga, och idag är detta ett av de mest intensivt utvecklande områdena inom vetenskapen.

Mikhail Levitsky