Лекция 13. Нуклеиновые кислоты План лекции · регулирующих обмен веществ и ... порядок расположения...

Лекция 13. Нуклеиновые кислотыПлан лекции :1.Значение  нуклеиновых кислот. История их изучения

2.Общий состав нуклеиновых кислот3.Виды нуклеиновых кислот ( ДНК и РНК),структура и функции

4.Правило  Чаргаффа, комплементарноестроение

Нуклеотидов5.Нуклеозиды и нуклеотиды

ЛИТЕРАТУРА1.Метлицкий Л.В. Основы биохимии плодов и овощей. 

М.,»Экономика»,1976,349 стр.2.Кретович В.Л. Биохимия растений М. ,Высшая школа,1971,464 

стр.3.Гребинский С.О.Биохимия растений .Изд.ЛьвовскогоУниверситета,г.Львов,1967,271 стр.4.БелозерскийА.Н. Нуклеопротеиды и нуклеиновые кислоты 

растений   и их биологическое значение. Изд.АНСССР М.,19595.Дэвидсон Д.Биохимия нуклеиновых кислот. Изд‐во«Мир»,М.,19686.Алимова Р.А.,Сагдиев М.Т. Усимликлар физиологияси ва

биохимиёси.Ташкент,2013,320 б.7.Алимова Р.А.Кишлок хужалик усимликлари биокимёси

фанидан лаборатория машгулотлари.Ташкент,ТашДАУ,2000,95б.8.Davies D, I.Giovanell, T.Rees Plant Biochemistry. Oxford,1964

1.Отличительным и самым поразительным свойством

Всех живых организмов является их способность к  самовоспроизведению в сотнях и тысячах генераций.

Удивительный процесс хранения и передачи  наследственной информации осуществляется  в клетках сложной  системой, основным фактором  которой являются особые вещества – нуклеиновые кислоты. В них заключена разгадка того ,почему  человек порождает человека, яблоня яблоню, дуб –

Дуба, берёза –берёзу и т.д.

Само название «нуклеиновые кислоты» получили от

Латинского слова – нуклеус «ядро». Впервые они были выделены из ядер клеток животных немецким учёным Ф. Мишером.

В дальнейшем нуклеиновые кислоты были обнаружены не только в ядрах ,но и в цитоплазме, хлоропластах и  митохондриях всех  без  исключения  живых организмах и была установлена  их решающая роль в явлениях наследственности и регуляции биосинтеза белка.

Наиболее интересные данные, касающиеся строения молекул ,свойств и биологической роли нуклеиновых кислот были получены в начале 50‐х годов 20 века.

Набор и активность ферментных систем, регулирующих обмен веществ и определяющих  биологическую индивидуальность организма,  определяется генетическим материалом, заключенным в молекуле дезоксирибонуклеиновой  кислоты ‐ ДНК.

В каждом организме  ДНК  является материальным носителем генетической информации.

Синтез специфических для данного организма  белков

Происходит с помощью рибонуклеиновых  кислот  ‐‐ РНК.

• 2.Общий состав и особенности строения нуклеиновых  кислот

• Различают два  основных типа нуклеиновых кислот :

• Дезоксирибонуклеиновая кислота – ДНК    и

• Рибонуклеиновая кислота  ‐ РНК.• Из растений ДНК   впервые была выделена А.Н.Белозерским в 1936 г.

РНК

Строение молекулы ДНК  было расшифровано 

Д.Уотсоном  Ф.Криком в  1953 г.    ФОТОВ составе нуклеиновых кислот имеется  сахар, азотистые основания и  фосфорная  кислота.

Сахар ,входящий в состав рибонуклеиновой кислоты

Называют  рибозой,а в состав ДНК –дезоксирибозой.

днк

Основными азотистыми основаниями РНК являются два пуриновых – аденин и гуанин  и два пиримидиновых  ‐ цитозин и  урацил.

В составе ДНК обнаружены  следующие азотистые  основания:аденин, цитозин,тимин (последний вместе  с урацилом в  РНК).

Кроме основных азотистых оснований в молекулах 

Нуклеиновых кислот содержатся так называемые  минорные азотистые основания: в ДНК‐ 5‐метилцитозин и 6‐метиламинопурин;

В  РНК‐

псевдоурацил,тимин,1метилгуанин,гипоксантин  и др.

Рибоза или дезоксирибоза ,реагирует с тем или иным  азотистым основанием ,образует  нуклеозиды. 

Последние соединяются с фосфорной кислотой и дают нуклеотиды

Нуклеиновые кислоты образуются в результате соединения различных нуклеотидов в полинуклеотидную цепь с помощью фосфорной связи. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, свернутых в двойную цепь и имеющих одну общую ось, эти цепи соединяются водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями соседних цепей. Нуклеиновые кислоты являются полимерами и состоят из большого количества мономеров, называемых нуклеотидами.

Каждый нуклеотид содержит три составные части: углевод (остаток сахара), фосфорная кислота и азотистое основание.

Именно нуклеотиды способны образовывать длинные цепи, соединяют друг с другом в различной последовательности. 

По Д.Уотсон и Ф.Крику ДНК представляет собой двойную спираль, в которой основу продольных нитей составляет углевод (сахар дезоксирибоза) и фосфорная кислота. Продольные нити соединены между собой попарно расположенными азотистыми основаниями.

Как уже упоминалось выше, в состав молекулы ДНК входят четыре азотистых основания – аденин, тимин, гуанин, цитозин. Но их количество и возможность разнообразных комбинаций огромны.

Так, например, участок ДНК фага содержит около 200.000 нуклеотидов.

• Молекулы ДНК отличаются друг от друга порядком чередования нуклеотидов. Их определенные сочетания обуславливает порядок расположения аминокислот в белке и является генетическим кодом.

• Количество нуклеотидов и их последовательность строго специфичны и отражают особенность белковых молекул, характерные для данного организма. Молекула ДНК обладает особым, только ей присущим свойством – способностью к самоудвоению, или редупликации (репликации).

• Сущность редупликации состоит в том, что при определенных условиях нити двойной спирали ДНК разъединяются и каждая достраивает утраченную спираль из имеющихся в клетку свободных нуклеотидов. 

• Способность ДНК к редупликации лежит в основе размножения всех организмов и обуславливает передачу наследственных особенностей последующим поколениям. Количество ДНК в ядре строго постоянно для каждого вида организма.

• Сущность принципа, лежащего в основе макромолекулярной структуры ДНК принципа комплементарностизаключается в том ,что образование таких водородных связей и соединение двух цепей ДНК в одну возможно только в случае, если противоположные нуклеотиды обеих цепей будут стерическикомплементарны, то есть будут дополнять друг друга своей пространственной структурой.

• Такими парами нуклеотидов являются аденин ‐ тимин и гуанин – цитозин. Следовательно, образование водородной связи в молекуле ДНК возможно только между строго определенными парами азотистых оснований соседних цепей, аденин одной цепи может взаимодействовать с тимином другой цепи, а гуанин – только с цитозином.

• Таким образом, одна цепь ДНК всегда комплементарна (дополнительна) другой цепи. Относительное количество оснований аденин ‐ тимин, гуанин –цитозин (АТ/ГЦ) специфично для каждого вида организма и широко варьирует от вида к виду. 

• Все ДНК могут быть отнесены к двум основным типам: ГЦ  ‐ типу (содержание гуанина и цитозина больше, чем аденинаи тимина) или АТ – типу (количество пар аденина и тимина больше, чем пар гуанина и цитозина). ДНК высших растений относится к АТ ‐ типу.

• ДНК представляет собой гигантскую молекулу состоящую из 25 – 26 тыснуклеотидов. Основная часть нуклеотидов содержится в ядре. Полинуклеотид ДНК соединен в клетке с белком (нуклеопротеид). Белковая часть нуклеопротеида состоит из белков основного типа (гистоны) и небольшой части негистонных белков.

• Экранирование белков отрицательного заряда молекулы ДНК, а также белковое взаимодействие на поверхность молекулы нуклеогистона обеспечивает вторичную спирализацию неклеопротеида в хромосоме.

• Генетические и цитологические исследования показывают ,что хромосома представляет собой образование ,состоящее из нескольких продольно расположенных идентичных молекул ДНК.

• При делении клетки  происходит, как известно, удвоение  хромосом т.е.синтез новых молекул ДНК. Две цепи исходной молекулы ДНК  расходятся в нескольких местах  одновременно и на 

• каждом из однотяжевых участков начинается синтез

• второй цепи из имеющихся в среде свободных нуклеотидов.

• При этом аденин исходной цепи  • взаимодействует с тимином свободного нуклеотида,

• А гуанин с  цитозином, так что вновь синтезируемая  цепь ДНК получается комплементарной исходной цепи.

Процесс расхождения двух цепей и синтез из  комплементарной цепи ДНК осуществляется ферментом ДНК –полимеразой.

В последнее время в литературе появились данные о том,что для инициализации синтеза ДНК необходим  синтез на одной из цепей исходной ДНК  низкомолекулярной РНК – затравки.

Синтез этой РНККатализируется  РНК‐полимеразойНовая молекула ДНК первоначально синтезируется  в виде небольших отрезков‐ олигонуклеопротеидов, 

Которые затем под действием лигазсшиваются в целую цепь ДНК.Вновьсинтезируемая молекула ДНК

модифицируется специфическими ферментами  ‐

метилазами, присоединяющими метильныегруппы к цитозину и аденину в тех же участках новой цепи ДНК,в которых эти группы  были на исходной молекуле.

• Физиологический смысл модификации молекулы ДНК

• Путём метилирования ещё до конца не выяснен,но предполагают,что минорные основания играют важную роль во многих физиологических процессах.

• Таким образом, вновь синтезируемая молекула ДНК

• Является точной копией исходной молекулы.

• В результате деления клеток и расхождения хромосом в дочернюю клетку попадает

• точно такие же• молекулы ДНК ,какие функционировали в материнской клетке. Таков механизм передачи генетической информации у всех  живых организмов.

• Молекула РНК не имеет двойной спирали.• Нити её значительно короче ,чем нити ДНК. Она состоит из 4…..6 нуклеотидов  и отличается гораздо меньшей молекулярной массой.

• Вместо тимина в состав молекулы РНК входит урацил, углевод представлен сахаром – рибозой. Количество РНК может варьировать в зависимости от состояния клетки и интенсивности синтеза белка. Известно 3 вида РНК : информационная, транспортная, рибосомная. 

• Все они синтезируются при обязательном участии молекулы ДНК. Но синтез белка, как мы отмечали ранее, происходит не на самой молекуле ДНК.  Роль посредников и своеобразного обслуживающего персонала в процессе синтеза белка выполняют рибонуклеиновые кислоты (РНК).

• Каждая молекула РНК синтезируется на определенном участке одной из цепей ДНК, как на матрице, в соответствии с принципом комплементарности. Значит, последовательность нуклеотидов в РНК полностью зависит от последовательности нуклеотидов данного участка ДНК. 

• Синтез РНК на ДНК (транскрипция) осуществляется ферментом РНК‐полимеразой.

• Этот фермент состоит из нескольких субъединиц, каждая из которых контролирует одну из сторон процесса синтеза ДНК, инициацию синтеза РНК, элонгацию (удлинение цепи РНК) и терминацию (окончание) синтеза РНК.

• В зависимости от выполняемых функций в клетке РНК подразделяют на:

• Информационная РНК (и‐ РНК) называется еще РНК‐посредником. Ее функция состоит в переносе информации с молекулы ДНК к месту синтеза белка. 

• Каждая молекула и‐РНК кодирует полипептидную цепь определенного белка. и‐РНК представляет собой полимерную одноцепочную молекулу диаметром от 10 до 15 А и длиной от одного до нескольких тысяч А, состоящую из сотен субъединиц нуклеотидов.

• Рибосомальная РНК (р‐РНК) бывает трех видов, различающихся по молекулярному весу. Но по нуклеотидному составу все они относятся к ГЦ‐типу (за исключением р‐РНК некоторых видов грибов), и их функция состоит в том, 

• что в комплексе со специфичными белками они образуют рибосомы –структуры, в которых осуществляется синтез белка в клетке. Рибосомы состоят из двух неравных субъединиц: большой и малой.

• Транспортная РНК (т ‐РНК), представляют собой относительно небольшие молекулы, содержыщие 75‐100 нуклеотидов. Для каждой аминокислоты, входящей в состав белка, существует свой специфичный вид т‐РНК.

• Молекулы т‐РНК доставляют отдельные аминокислоты к месту синтеза белка – к рибосомам. В молекуле т‐РНК имеются три функционально активных участка: участок, связывающий определенную аминокислоу, участок, реагирующий с соответствующим центром рибосомы, 

• и участок (антикодон), комплементарныйопределенной последовательности нуклеотидов (кодону) и‐РНК, кодирующий данную аминокислоту.  До настоящего времени удалось расшифровать нуклеотидную последовательность нескольких т‐РНК:

• аланиновой, двух сериновых, лизиновый, фенилаланиновой и валиновый. Так, валиновая т‐РНК, извлеченная из пекарских дрожжей, состоит из 81 нуклеотида. 

• Вторичная структура каждого типа нуклеиновых кислот определяется нуклеотидной последовательностью. Молекулы РНК могут состоять из чередующихся спирально закрученных и развернутых участков. Активность информационной РНК зависит от вторичной структуры ее молекулы. 

• Молекулы транспортных РНК также обладают особой вторичной структурой, имеющий вид клеверного листа. Таким образом, молекулы ДНК и РНК образуют гигантскую полинуклеотидную цепочку, длина которой в отдельных случаях может достигать 0,5 см.

• Специфические химические и биологические свойства рибонуклеиновых и дезосирибонуклеиновых кислот зависят в первую очередь от состава образующих их нуклеотидов, расположения, последовательности их в полинуклеотидной цепочке нуклеиновой кислоты.

• Правило Э.Чаргаффа.• При исследовании химического состава ДНК из различных организмов, органов и тканей Э.Чаргафф установил чрезвычайно важный и интересный факт.

• Оказалось, что в молекуле любой ДНК количество молей аденина(А) равно количеству молей тимина, а количество молей цитозина (ц) точно равно содержанию гуанина (г). Это можно изобразить следующим образом: А=Т и Ц=Г или А/Т=1 и Ц/Г=1

• (А=Г) : (Т=Ц)=1.

• Это значит, что сумма пуриновых оснований в ДНК любого происхождения равна сумме пиримидиновых оснований. Эта закономерность была названа правилом Чаргаффа.

• Это правило свидетельствует о том, что в молекуле ДНК наблюдается строгое соответствие оснований: на один остаток аденина обязательно приходится один остаток тимина и на остаток цитозина –остаток гуанина. 

• Правило Чаргаффа сыграло важную роль при расшифровке молекулярной структуры ДНК.

• Соединения, в которых рибоза или дезоксирибоза связана с каким‐либо из пуриновых оснований или пиримидиновых оснований, получилиназвание нуклеозидов (по аналогии с гликозидами).

• Нуклеозиды, соединяясь с одной молекулой фосфорной кислоты, дают такие сложные вещества, которые называются нуклеотидами.

• Нуклеотиды имеют исключительно большое значение для обмена веществ живой тклетки.

• Такая важная роль нуклеотидов в явлениях жизни связана  не только с тем, что они являются «кирпичами»  из которых построены гигантские молекулы нуклеиновых  кислот, но также с тем, что они входят в состав ряда важнейших ферментов, а некоторые из них являются веществами, в которых аккумулируется энергия, необходимая для осуществления жизненных процессов.

• Например, адениловая кислота может присоединять к своему фосфорному остатку еще один или два остатка фосфорной кислоты и образовывать при этом аденозиндифосфат (АДФ) или аденозинтрифосфат (АТФ).

Контрольные вопросы.В чем заключается роль нуклеиновых кислот для живого организма?

Какие нуклеиновые кислоты Вы знаете?Когда и кто впервые выделил ДНК из растения?Кто и когда впервые обосновал теорию строения молекулы ДНК?

Расскажите о роли ДНК в организме?Расскажите о роли РНК в организме?В чем суть правила Чаргаффа?Объясните термин «Комплементарное строение нуклеотидов».

В чем различие нуклеозидов и нуклеотидов?