Нуклеиновые кислоты. Виды, строение, структуры, роль

1. 
   ДНК, строение и роль
   
2. 
   РНК, виды, строение и роль
   

Открытие ее структуры является значительным событием, что привело к возникновению новой отрасли биохимии – молекулярной биологии. В больших количествах ДНК образуется и содержится в ядрах клеток, причем количество молекул и их размеры зависят от вида организма. Например, в ядре клеток млекопитающих этих молекул много и они распределены по 46 хромосомам. Локализация ДНК в хромосомах была впервые установлена Фельгеном в 1924 году с помощью реакции Шиффа. Получены экспериментальные доказательства наличия ДНК в митохондриях (около 1-2% от суммарной ДНК клеток). Установлено, что эта ДНК кодирует синтез некоторых структурных белков митохондрий и особых митохондриальных РНК. В других местах ДНК может быть при вирусной инфекции, в яйцеклетках некоторых животных, в базальных тельцах (кинетопластах жгутиковых). Чем сложнее организм, тем большую массу имеет ДНК его клеток. Количество ДНК в клетке зависит от функции и обычно составляет 1-10%. Больше всего ДНК в половых клетках (60%), меньше (0,2%) в миоцитах. В хромосомах высших организмов ДНК связаны с простыми белками – гистонами, альбуминами и другими, образуя дезоксирибонуклеопротеид (ДНП). Такая большая молекула обычно нестойка и, чтобы сохранить ее целостность и неизменность, в процессе эволюции создана репарирующая система, состоящая из ферментов – нуклеаз и лигаз, которые являются ответственными за «дежурный ремонт» молекулы, сшивая ее фрагменты в единое целое.

ДНК – это полимер, полинуклеотид, состоящий из большого количества (до млн) мононуклеотидов. Молекулярная масса 2х10⁴ – 1х10¹¹ Da. Мононуклеотиды ДНК содержат следующие азотистые основания - из производных пурина – аденин (А), гуанин (Г), из производных пиримидинов - цитозин (Ц) и тимин (Т). Помимо этих азотистых оснований, в составе ДНК животных и человека открыто минорное пиримидиновое основание - 5-метилцитозин. Азотистые основания связаны с дезоксирибозой и фосфорной кислотой.

В 1949 году Э. Чаргафф установил закономерности в количественном распределении азотистых оснований в молекуле ДНК. Эти закономерности названы правилами Чаргаффа (давать только для откр.лекции). Их 4: 1) число пуриновых оснований равно числу пиримидиновых: ∑А + Г = ∑Т + Ц; 2) количество остатков А равно количеству остатков Т, а Г равно Ц; 3) коэффициент специфичности Г+Ц/А+Т. . У человека оно равно 1,5, у быка 1,3, кишечной палочки 1,0. 4) количество аденина и цитозина равно количеству гуанина и тимина – А + Ц = Г + Т.

Структура ДНК установлена в 1953 году Уотсоном и Криком с помощью математических расчетов, модельных экспериментов и данных рентгеноструктурного анализа. За открытие структуры ДНК Уотсон и Крик в 1962 году были удостоены Нобелевской премии.

Согласно модели Уотсона и Крика, остатки дезоксирибоз и фосфатов расположены по хребту 2-х спиралеобразнозакрученных полинуклеотидных цепей, а плоскостные структуры пуриновых и пиримидиновых оснований расположены перпендикулярно оси цепи, образуя как бы ступени спиральной лестницы, причем А всегда соединен с Т двумя водородными связями, а Г с Ц тремя такими же связями. Это явление получило название правила (принципа) комплиментарности и избирательности.

Различают 4 уровня структурной организации ДНК:

Первичная структура – это спирально изогнутая полинуклеотидная цепь с определенным качественным и количественным набором мононуклеотидов, которые связаны 3’5’-фосфодиэфирной связью – формулу знать – см.Материалы С. 12, показать на табл или пленке. Т.о., каждая цепь имеет 5’конец (фосфатный) и 3’конец (дезоксирибоза). Участки ДНК, содержащие генетическую информацию, называются структурными генами.

Вторичная структура – это двухспиральная молекула, полинуклеотидные цепи которой антипараллельны и связаны водородными связями между комплементарными основаниями обоих цепей – показать на табл. или пленке. Один виток спирали равен 3,4 нм и содержит 10 нуклеотидных остатков. Вторичную структуру кроме водородных связей между комплементарными основаниями цепей, поддерживают также Ван-дер-Ваальсовы силы взаимодействия между основаниями одной цепи. Эти силы включают притягивающие и отталкивающие компоненты. Притягивающие включают взаимодействие между диполями, образованными кратковременными колебаниями электронов соседних атомов. Оттягивающие имеют место когда 2 атома подходят так близко, что их электронные орбитали перекрываются. Т.о., Ван-дер-Ваальсовы силы обусловлены взаимодействием электронов соседних атомов. Вторичную структуру также стабилизирует электростатическое взаимодействие между отрицательно заряженной нитью ДНК и положительно заряженными молекулами гистонов.

Третичная структура ДНК – это намотка ее цепей на гистоны, т.е. суперспирализация. Различают 5 видов гистонов: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4. Гистоны Н2А и Н2В богаты лизином, а гистоны Н3 и Н4 богаты аргинином. 4 пары молекул этих белков (2Н2А, 2Н2В, 2Н3, 2Н4) образуют шаровидные утолщения - октамеры, на которые наматывается участок ДНК (140 пар оснований образуют 2 витка суперспирали). Образуется нуклеосома, это неактивная часть молекулы ДНК. Между нуклеосомами располагаются участки ДНК, неспирализованные, но они связаны с гистоном Н1. Это активная, т.е работающая часть ДНК. В процентном соотношении больше неактивной части (97%), а активной части ДНК всего 3%. В сборке нуклеосомы участвует особый ядерный белок – нуклеоплазмин. Это кислый (анионный) пентамерный белок, не связывающийся ни с ДНК, ни с хроматином, но способный обратимо соединяться с гистоновым октамером, блокируя способность гистонов к неспецифическому взаимодействию с ДНК. После завершения сборки нуклеосом нуклеоплазмин высвобождается из гистонового комплекса.

С гистонами возможны 3 типа химических реакций – ацетилирование, фосфорилирование и АДФ-рибозилирование. При этом гистоны становятся модифицированными. Ацетилирование гистонов Н3 и Н4 связано с активацией или инактивацией транскрипции гена; ацетилирование Н2А, Н2В, Н3 и Н4 гистонов связано со сборкой хромосом в ходе репликации ДНК; фосфорилирование гистонов Н1 связано с конденсацией хромосом в ходе репликативного цикла; АДФ-рибозилирование гистонов связано с репарацией ДНК.

Четвертичная структура – это укладка нуклеосом в хроматин, так что молекула ДНК длиной в несколько см складывается до 5 нм. Хроматин в химическом плане состоит на 2/3 из простых белков (гистонов – 55%, и негистоновых белков – альбуминов, глобулинов и ферментов – 45%) и 1/3 из ДНК. Хроматин содержит также 10% РНК. Ферменты хроматина участвуют в репликации (например, ДНК-топоизомеразы) и транскрипции (РНК-полимеразы).

В фазе покоя хроматин равномерно распределен по всему объему ядра и не обнаруживается обычными микроскопическими методами. В фазе деления клетки хроматин образует компактные частицы – хромосомы, которые видны в обычный микроскоп. Хроматин, содержащий активные гены, называется эухроматином (транскрипционно-активным). ДНК в активном хроматине содержит длинные участки (около 100000 пар оснований), чувствительные к действию нуклеаз, например, к ДНК-азе I. Внутри большой области активного хроматина обнаружены короткие участки (100-300 нуклеотидов) с еще более высокой чувствительностью к ДНК-азе I. Эти участки называются гиперчувствительными сайтами, или энхансерными элементами. Такие сайты обеспечивают доступность кодирующей цепи для белков, участвующих в процессе транскрипции. Транскрипционно-неактивный хроматин (гетерохроматин) плотно упакован. Существуют 2 типа гетерохроматина: конститутивный и факультативный. Конститутивный гетерохроматин всегда конденсирован и, следовательно, неактивен. Конститутивный гетерохроматин найден в областях, близких к цетромерам и к концевым участкам (теломерам) хромосом. Факультативный гетерохроматин временами конденсирован, а временами разуплотнен, активно транскрибируется, т.е. сходен с эухроматином.

В метафазе хромосомы состоят из 2-х сестринских хроматид, соединенных в центромере. Центромер является регионом, богатым А-Т. он связывает белков. образуемый комплекс называется кинетахор – это якорь для митотического веретена. Каждая сестринская хроматида содержит одну двухцепочечную молекулу ДНК. В интерфазе упаковка молекулы менее плотная, чем в метафазе. Метафазные хромосомы транскрипционно-неактивны.

ТЕЛОМЕРЫ И ТЕЛОМЕРАЗА

В ряде клеток существует фермент, восстанавливающий длину теломер. Данный фермент называется теломераза (ДНК-нуклеотидилтрансфераза, КФ 2,7,7,31), за его открытие Томас Чех получил в 1989 году Нобелевскую премию. Это РНП, состоит из РНК (роль шаблона) и 2-х ПП, формирующих АЦ. Фермент функционирует как обратная транскриптаза – РНКДНКбелок. Он достраивает свободные 3-концы хромосом короткими повторяющимися последовательностями. В соматических клетках теломераза отсутствует. Активность этого фермента высока в зародышевых клетках, клетках опухолей. Чем выше активность теломеразы в опухолевых клетках, тем хуже прогноз и злокачественнее опухоль. Разрабатываются лекарственные препараты, ингибирующие теломеразу. Эти препараты в перспективе можно использовать при лечении теломеразо-позитивных опухолей. Благодаря высокой активности теломеразы клетки опухоли быстро и вечно делятся.

В связи с ролью теломеразы ученые пытаются решить и проблему старости и вечной жизни – найти препараты, активирующие теломеразу. Но при этом имеется опасность развития рака различной локализации.

Роль ДНК: 1) хранение и передача наследственной информации; 2) биосинтез ферментов, белков и гормонов.