Дезоксирибонуклеїнові кислоти (ДНК). Рибонуклеїнові кислоти (РНК)

               Транспозони – це більш складні мігруючі елементи, до складу яких входить 3000–25000 нуклеотидних пар. Вони подібні до IS- елементів, але крім генів, відповідальних за здатність до переміщення , містять також додаткові гени, наприклад , гени стійкості до лікарських препаратів.                                                              Елементи, подібні до І S- елементів і транспозонів прокаріотів, відкриті й у ссавців. Мобільні дисперговані гени ( МДГ) еукаріотичних організмів нараховують 5000–10000 нуклеотидних пар , які обмежуються паліндромами. Встановлено, що МДГ впливають на структуру і роботу інших генів. Останнім часом виявлено значну подібність будови транспозонів прокаріотів, МДГ еукаріотів і онкогенних провірусів .

        Таким чином, зміни в геномі еукаріотів не обмежуються лише рідкісними мутаціями і генетичними рекомбінаціями. Наявність транспозуючих елементів може виступати як фактор регуляції диференціювання клітин і генної активності, спричиняти мутації. Особливо важливимє те, що висока частота мінливості зумовлюється не лише зазначеними,а й іншими механізмами , аніж тими, які відповідають за мутації, що виникли під впливом екзогенних чинників . Проте у звичайних умовах нестабільні генетичні елементи в переважній більшості заблоковані; тому, хоча уявлення про стабільність еукаріотів і зазнали деяких змін, засади їх залишаються незмінними.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рибонуклеїнові кислоти ( РНК)

          Первинна структура РНК – кількість, якість і послідовність розташування залишків рибонуклеотидів у полінуклеотидному ланцюзі .Дослідження первинної структури різних видів РНК свідчать про те, що для них характерна в основному така ж закономірність у співвідношенні нуклеотидів, як і для ДНК ( див . рис.19 і 20). При цьому необхідно мати на увазі, що молекула РНК відрізняється  від молекули ДНК: замість тиміну в ДНК у РНК присутній урацил: дезоксирибоза замінена на рибозу; молекула РНК на відміну від ДНК складається (окрім незначної кількості  винятків ) із одного полінуклеотидного ланцюга ; сума пуринових основ у РНК не відповідає сумі піримідинових ; молекула РНК менша за молекулу ДНК; але кількість РНК у клітині більша, аніж ДНК; РНК представлена декількома різновидами молекул ,які синтезуються на матриці ДНК.

            Вторинна структура – це частково спіралізований одинарний полінуклеотидний ланцюг РНК (форма і ступінь спіралізації полінуклеотидного ланцюга РНК у просторі). Полінуклеотидному ланцюгу РНК властива своєрідна спіралізація: ланцюг закручується сам на себе, утворюючи короткі двоспіральні «шпильки», « петлі», у яких між азотистими основами виникають  водневі зв'язки , утворюючи комплементарні пари аденіну з урацилом ( А-У), гуаніну з цитозином ( Г-Ц) (див .рис. 23, 24). Характерною особливістю вторинної структури РНК є те, що полінуклеотидний ланцюг її спіралізований не повністю ( для різних РНК від 10 до 70%). Низький ступінь спіралізації, очевидно, пов'язаний із їх функцією в процесі біосинтезу білка.

               Третинна структура РНК характеризується більшою укомплектованістю в просторі і може мати вигляд одиночного ланцюга , компактного стрижня або клубка. Усі три структури можуть переходити одна в одну в залежності від умов навколишнього середовища – концентрації солей, рН, температури і т.ін.(див.рис25).

 

 

Фізико-хімічні властивості нуклеїнових кислот

              Фізико-хімічні властивості нуклеїнових кислот визначаються високою молекулярною масою і рівнем структурної організації .

            Нуклеїнові кислоти – це речовини білого кольору, волокнистої будови, слабкорозчинні у воді у вільному стані, але добре розчинні у воді у вигляді солей лужних металів. Вони також добре розчинні в сольових розчинах: РНК – у розбавлених, а ДНК – у більш концентрованих. Розчинність двоспіральних нуклеїнових кислот гірша , ніж односпіральних.

            Молекулярна маса ДНК – від 0,5 млн до 20 млн і вище, а її молекула складається з багатьох тисяч нуклеотидів;молекулярна маса РНК – від 30 тис. до 2 млн, а нуклеотидів у молекулі – до 4–6 тис .

            Завдяки негативному заряду молекули нуклеїнових кислот рухаються в електричному полі . Нуклеїнові кислоти міцно зв'язуютьіони металів, зазнають модифікації шляхом алкілування і дезамінування.При фізіологічних значеннях рН усі нуклеїнові кислоти є поліаніонами й оточуються протиіонами з білків і неорганічних катіонів . Усі нуклеїнові кислоти здатні поглинати світло в ультрафіолетовій частині спектра близько 260 нм. Порушення нативності нуклеїнових кислот супроводжується підвищенням поглинання світла – має місце так званий гіпохромний ефект. Величина гіпохромності – найважливіша ознака ступеня спіралізації нуклеїнових кислот. У зв'язку із цим гіпохромний ефект використовується для вивчення процесів денатурації і ренатурації нуклеїнових кислот, а також гібридизації спіралей ДНК- РНК тощо.

           Денатурація і ренатурація нуклеїнових кислот. Під впливом денатуруючих факторів ( температура 70°–100 °С , вплив хімічних речивин, сильнокисле і лужне середовище тощо) відбувається розрив водневих і ван - дер -ваальсових зв'язків, що стабілізують вторинну і третинну структуру нуклеїнових кислот. Внаслідок розриву водневих і гідрофобних зв'язків ланцюги нуклеїнових кислот розходяться і набувають конформації безладного клубка. Денатурація супроводжується підвищенням поглинання світла при 260 нм (гіпохромний ефект ). Поглинання може збільшуватись приблизно в 1,5 рази. Це – зручний метод дослідження денатурації. Денатурацію можна вияви ти також за зменшенням в'язкості розчину і зміною кута обертання площини поляризованого променя. Якщо розчин нуклеїнової кислоти, денатурований нагріванням, повільно охолоджувати, то полінуклеотидні ланцюги ДНК об'єднуються за принципом комплементарності ( див. рис .27). При цьому утворюється нативна подвійна спіраль ДНК. Це явище називається ренатурацією. При швидкому охолоджуванні ренатурація не відбувається.

Гібридизація ДНК-ДНК. Якщо змішати розчини ДНК, виділені з організмів різних видів ( наприклад, кроля і жаби), нагріти цю суміш (денатурувати ДНК), а потім повільно охолодити, то знову утворюватимуться двоспіральні структури. При цьому, разом із двоспіральними молекулами, ідентичними вихідним молекулам ДНК, можуть утворюватися гібридні молекули, що мають один нуклеїновий ланцюг із ДНК кроля, а другий – із ДНК жаби. Такі гібридні молекули бувають недосконалими : спіралізовані ділянки чергуються в них з неспіралізованими. Недосконалість гібридів ДНК-ДНК можна визначити за допомогою електронного мікроскопа. Вивчення гібридизації ДНК-ДНК дозволило зробити такі важливі для біологів висновки:

1. ДНК всіх органів і тканин одного і того ж організму ідентичні;

2. ДНК, виділені із тканин різних істот одного біологічного виду, ідентичні . Однак можуть бути невеликі розбіжності , які не можна виявити методом гібридизації ( подвійна спіраль не утворюється , якщо некомплементарні ділянки містять більше 3–5 нуклеотидних залишків);

3. ДНК, отримані від істот  різних біологічних видів, – неідентичні, утворюють недосконалі гібридні  молекули. Ступінь недосконалості  гібридів ДНК-ДНК тим більший, чим віддаленіші за  філогенетичною  спорідненістю види. У зв'язку  з цим метод гібридизації ДНК-ДНК  виявився зручним при вивченні  систематики організмів

           З результатів вивчення ДНК методом гібридизації випливає, що первинна структура ДНК характеризується видовою специфічністю .

          Гібридизація ДНК-РНК. Подібним шляхом може відбуватися і гібридизація ДНК-РНК: у цьому випадку гібридна молекула містить один дезоксирибонуклеотидний ланцюг і один рибонуклеотидний. При гібридизації ДНК із РНК ( первинних транскриптів ), виділених із одного організму, утворюються справжні гібриди . Інакше кажучи, уся РНК організму комплементарна ДНК того ж організму. Це означає, що всі викладки щодо видової специфічності ДНК однаковою мірою можуть бути використані і для РНК.

           Дослідження процесів гібридизації мають важливе значення не тільки для вивчення первинної структури різноманітних видів нуклеїнових кислот, але і для наукових і практичних досліджень у галузі генної інженерії.

 

 

Біологічна роль ДНК і РНК

             Нуклеїнові кислоти виконують в організмі різні функції. Найважливіші з них – це участь у передачі спадкових ознак і в процесі біосинтезу білка та його регуляції. Основним носієм генетичної інформації для більшості організмів є ДНК. Виняток становлять тільки окремі фаги, віруси, у яких носієм спадкової інформації служить молекула РНК.

            Комплементарність ланцюгів ДНК складає хімічну основу найважливішої функції ДНК – зберігання і передачу спадкових ( генетичних) ознак. При поділі клітин подвійна спіраль ДНК розкручується і розділяється на два ланцюги. На кожному окремому ланцюзі, як на матриці, відбувається біосинтез нового ланцюга ДНК із врахуванням принципу комплементарності. Новоутворений ланцюг не ідентичний, а комплементарно подібний до матриці ( рис . 28).

           Внаслідок цього утворюються дві нові подвійні спіралі, кожна з яких включає один старий ( материнський) і один новосинтезований ланцюги. Такий процес точного копіювання молекули ДНК, у результаті якого утворюються дві однакові двоспіральні молекули, називається реплікацією. Реплікація лежить в основі забезпечення дочірніх клітин молекулами ДНК, повністю ідентичними з ДНК материнських клітин.

            Таким чином спадкові ознаки зберігаються в поколіннях.

         Аналогічним шляхом в ядрі відбувається синтез молекули інформаційної ( матричної ) РНК, яка потім сама служить матрицею для біосинтезу білка в цитоплазмі(рис.29)

            Утворений ланцюг мРНК комплементарний тій ділянці ДНК, наякому він синтезується. При цьому, однак, аденіновій основі в ДНК буде відповідати урацилова основа в РНК, а як пентозний залишок у ланцюзі РНК буде використовуватися рибоза ( див .  рис .29).

          Синтез мРНК є, в сутності, переписуванням ( транскрипцією ) генетичної інформації з ділянок ( генів, цистронів) ДНК на мРНК . Остання потім використовується як матриця, де в присутності рибосом і відповідних тРНК, що несуть залишки α-амінокислот, відбувається синтез необхідного білка.

          Генетична інформація, тобто інформація про синтез певних білків, записана (закодована) в нуклеотидній послідовності ДНК. Як уже зазначалося , одну амінокислоту кодує тринуклеотидна послідовність, тому код називається триплетним. Три нуклеотиди, що контролюють включення даної амінокислоти у відповідний білок у процесі його біосинтезу, називають кодоном .

          Збереження нуклеотидної послідовності і точність її транскрипції є запорукою безпомилкової передачі спадкової інформації.

        Виключне значення нуклеотидів не обмежується лише тим, що вони є будівельними матеріалами для нуклеїнових кислот. Нуклеотиди входять до складунебілкової частини (коферменту ) ферментативних систем і беруть участь в обміні речовин. Важливу групу коферментів складають не тільки монофосфати ( АМФ, ГМФ, ЦМФ та ін .), але і нуклеозидполіфосфати ( АДФ, ATФ ,  ГДФ,  ГТФ та ін .).У процесі обміну речовин в організмі як універсальне джерело й акумулятор енергії використовуються АТФ, ГТФ та ін. В окислювально -відновлювальних процесах беруть участь і багато інших коферментів, які мають нуклеотидну природу ( НАД, ФАД і т. ін .).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Правила Чаргаффа

          Правила Чаргаффа — система емпірично встановлених правил, що описують кількісні співвідношення між різними типами азотистих основ у ДНК. Правила були сформульовані в результаті роботи групи біохіміка Ервіна Чаргаффа в 1949—1951 роках.

          До робіт групи Чаргаффа панувала так звана «тетрануклеотидна» теорія, згідно з якою вважалося, що ДНК складається з повторюваних блоків по чотири різних азотистих основи (аденін, тимін, гуанін і цитозин) в кожному. Чаргаффу зі співробітниками вдалося розділити нуклеотиди ДНК за допомогою паперової хроматографії і визначити точні кількісні співвідношення нуклеотидів різних типів. Вони значно відрізнялися від еквімолярних, яких можна було б очікувати, якби всі чотири типи були представлені в рівних пропорціях. Співвідношення, виявлені Чаргаффом для аденіну (А), тиміну (Т), гуаніну (Г) і цитозину (Ц), виявилися такими:

1. Вміст аденіну рівний вмісту тиміну, а вміст гуаніну — кількості цитозину: А=Т, Г=Ц.
2. Кількість пуринів дорівнює кількості піримідинів: А+Г=Т+Ц.
3. Кількість основ з 6 аміногрупами дорівноює кількості основ з 6 кетогрупами: А+Ц=Г+Т (Це правило слідує з першого). Разом з тим, співвідношення частка Г+Ц (вміст ГЦ) може бути різним у ДНК різних видів. У одних переважають пари АТ, в інших — ГЦ.

        Правила Чаргаффа разом із даними рентгеноструктурного аналізу, зіграли вирішальну роль в розшифровці структури ДНК Дж. Уотсона та Ф. Кріка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Використана література:

1. Біологічна хімія: [ Підручник / Л. М. Вороніна, В. Ф. Десенко, Н. М. Мадієвська тв. ін.]; За ред. проф. Л. М. Вороніної. – Х.: Основа; Видавництво НФАУ, 2000. – 608 с.
2. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3-х т. Т. 3. Пер. с англ.-М.: Мир, 1985.-320 с.
3. Сапина М.Р. Анатомия человека: В 2-х т. М.:Медицина, 2001. – 640 с.
4. Страйер Л. Биохимия: Пер. с англ.-М:Мир, 1984. –Т. 1-232 с.