Строение и биологические функции нуклеиновых кислот. Пути передачи генетической информации. Биосинтез ДНК (репликация)

Южно-Казахстанская Государственная  Фармацевтическая Академия

 

 

       Кафедра биохимии, биологии и микробиологии

 

 

 

 

 РЕФЕРАТ

На тему: “Строение  и биологические функции нуклеиновых  кислот. Пути передачи генетической информации. Биосинтез ДНК (репликация).”

 

 

 

 

 

 

Подготовила: Булегенова З.А

Группа: 307 “А” ФР

Приняла: Пак А.М

 

Шымкент 2013

Содержание

 

Введение

1. Обзор литературы

1.1 Структура нуклеотидов

1.2 Первичная структура полинуклеотидов

1.3 Вторичная и третичная структуры ДНК

1.4 Физико-химические свойства ДНК

1.5 Биологические функции ДНК

1.6 Структура и физико-химические свойства РНК

1.7 Типы РНК и их биологические функции

Заключение

Список использованной литературы

2. Механизмы  передачи генетической информации: репликация, транскрипция и трансляция.

 

3.  Список  использованной литературы

 

 

Введение

 

Термин нуклеиновые  кислоты был предложен немецким химиком Р. Альтманом в 1889г после  того, как эти соединения были открыты  в 1868г. швейцарским врачом Ф. Мишером. Он экстрактировал клетки гнойного пневмококка разбавленной соляной кислотой в течение нескольких недель и получил в остатке почти чистый ядерный материал, назвав его нуклеином (от лат. nucleus – ядро). По своим свойствам нуклеин резко отличался от белков: он был кислым, не содержал серы, было много фосфора. Нуклеин хорошо растворялся в щелочах, но не растворялся в разбавленных кислотах.

Впоследствии из животных, растительных объектов и микроорганизмов  были выделены разные нуклеиновые кислоты. Их наилучшим источником оказались  клетки, имеющие большие ядра.

Химически нуклеиновые  кислоты представляют собой биополимеры, состоящие из мономерных звеньев  – нуклеотидов. Каждый нуклеотид  содержит три различных компонента: азотистое (пуриновое или пиримидиновое) основание, моносахарид пентозу (рибозу или дезоксирибозу) (Rb), остаток фосфорной кислоты (P). Как показал специфический гидролиз (кислотный, щелочной), а также гидролиз ферментами-нуклеазами, эти компоненты соединены друг с другом в такой последовательности: азотистое основание – пентоза – фосфат. Соседние нуклеотиды связаны друг с другом посредством эфирной связи между моносахаридом и фосфатом другого нуклеотида.

Поскольку остаток пентозы  и фосфат соединены эфирной связью, то при образовании полинуклеотидной цепи связь Rb-P-Rb называется фосфодиэфирной.

Азотистые основания  не участвуют в образовании никаких  других ковалентных связей, помимо связывающей их с остатками пентозы  сахарофосфатной цепи. Именно последовательность азотистых оснований в полинуклеотидной цепи определяет уникальную структуру  и специфическую функцию молекул нуклеиновых кислот.

Гидролиз нуклеиновых  кислот, выделенных из ядер клеток, показал, что они состоят из пуриновых (аденина, гуанина) и пиримидиновых (цитозина, тимина) оснований, 2-дезоксирибозы  и фосфорной кислоты. Эта нуклеиновая кислота была названа дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК). Из дрожжей была получена другая по химическому составу нуклеиновая кислота, содержащая вместо тимина урацил и вместо дезоксирибозы рибозу. Ее назвали рибонуклеиновой кислотой (РНК).

Биологическая функция нуклеиновых кислот оставалась неизвестной в течение почти столетия. Только в 40-х гг. XX в. О.Т. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти установили, что эти биополимеры ответственны за хранение, репликацию (воспроизведение), транскрипцию (передачу) и трансляцию (воспроизведение на белок) генетической (наследственной) информации. В 1953г., когда Дж. Уотсон и Ф. Крик сообщили о расшифровке молекулярной структуры ДНК, биохимия и вообще биология начала отсчет новой эры познания живой материи.

 

1. Обзор литературы

1.1 Структура  нуклеотидов

 

Строение пуриновых  оснований

 

Сам пурин не входит в состав нуклеотидов, а входят его производные –  аденин (А), или 6-аминопурин, и гуанин (G), или 2-амино-6-оксипурин.

 

Строение пиримидиновых  азотистых оснований

 

 

Пиримидин также не входит в состав нуклеотидов, а входят его  производные – урацил (U), или 2,4-диоксипиримидин, тимин (Т), или 5-метилурацил, цитозин (С), или 2-окси-4-аминопиримидин.

В составе ДНК и  РНК встречаются более редкие азотистые основания, например, 5-метилцитозин, 4-тиоурацил и дигидроурацил; они получили название минорных оснований.

В состав ДНК входят β-D-2-дезоксирибоза, в состав РНК – β-D-рибоза. И в том, и в другом случае эти монозы являются пентозой (пять углеродных атомов), различия касаются лишь второго углеродного атома. В рибозе углерод-2 связан с ОН-группой, тогда как в дезоксирибозе на месте ОН-группы находится Н, отсюда префикс "дезокси". Буквы β и D отражают специфическую конфигурацию при атомах С-1' и С-4' фуранозного цикла:

 

Состав ДНК

 

Нуклеозиды – соединения, в которых пуриновые или пиримидиновые  основания связаны с рибозой (рибонуклеозиды) или дезоксирибозой (дезоксирибонуклеозиды).

Нуклеозиды относятся  к N-гликозидам: атом С-1' рибозы или дезоксирибозы связан с N-9 пуринового или N-1 пиримидинового основания:

 

Аденозин и дезоксиаденозин

 

В состав ДНК входят следующие  нуклеозиды, что описывается формулами:

 

Аденин + дезоксирибоза = дезоксиаденозин.

Гуанин + дезоксирибоза = дезоксигуанозин.

Цитозин + дезоксирибоза = дезоксицитидин.

Тимин + дезоксирибоза = дезокситимидин.

 

В состав РНК входят следующие  нуклеозиды, что описывается формулами:

 

Аденин + рибоза = аденозин.

Гуанин + рибоза = гуанозин.

Цитозин + рибоза = цитидин.

Урацил + рибоза = уридин.

 

Кроме выше перечисленных главных нуклеозидов встречаются и минорные нуклеозиды, из которых наиболее распространены дигидроуридин, псевдоуридин; в последнем отсутствует обычная N-гликозидная связь: в нем атом С-1' рибозы соединен с атомом С-5 урацила.

Нуклеозиды лучше растворимы в воде, чем исходные азотистые основания. Их легко можно разделить и идентифицировать методом тонкослойной хроматографии. Они устойчивы к щелочам, но легко гидролизуются кислотами, а также ферментом нуклеозидазой.

Нуклеотиды представляют собой нуклеозиды с присоединенной эфирной связью к остатку рибозы или дезоксирибозы фосфатной группой. В образовании связи участвует 5'-углеродный атом пентозы. В зависимости от строения пентозы все нуклеотиды можно разделить на рибонуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды:

 

Рибонуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды

 

В зависимости от числа  остатков фосфорной кислоты нуклеотиды подразделяются на нуклеозид-5'-монофосфаты, нуклеозид-5'-дифосфаты и нуклеозид-5'-трифосфаты. В принципе нуклеозид может быть фосфорилирован до тетрафосфата.

Ниже приводятся названия и сокращенные обозначения нуклеотидов.

 

Название	Сокращение
Рибонуклеотиды:
Аденозинмоно-, ди-, трифосфат	АМР, АDР, АТР
Гуанозинмоно-, ди-, трифосфат	GМР, GDР, GТР
Цитидинмоно-, ди-, трифосфат	СМР, СDР, СТР
Уридинмоно-, ди-, трифосфат	UМР, UDР, UТР
Дезоксирибонуклеотиды:
Дезоксоаденозинмоно-, ди-, трифосфат	dАМР, dАDР, dАТР
Дезоксигуанозинмоно-, ди-, трифосфат	dGМР, dGDР, dGТР
Дезоксицитидинмоно-, ди-, трифосфат	dСМР, dCDР, dCТР
Дезокситимидинмоно-, ди-, трифосфат	dТМР, dTDР, dTTP

 

Данная номенклатура нуклеотидов рассматривает их как  фосфорные эфиры. В то же время  благодаря наличию кислотной  фосфатной группы удобно рассматривать  нуклеозидмонофосфаты как кислотные  производные исходных нуклеозидов, например, адениловая, уридиловая, гуанидиловая, цитидиловая кислоты.

Нуклеотиды – сильные  кислоты, так как остаток фосфорной  кислоты, входящей в их состав, сильно диссоциирован. При рН 7,0 свободные  нуклеотиды в клетках находятся  главным образом в форме R–рибоза – , где R – азотистое основание.

Уникальны биохимические  функции нуклеотидов. В качестве основных можно отметить следующие:

1) являются строительными  блоками нуклеиновых кислот (ДНК  и РНК); участвуют в молекулярных  механизмах, с помощью которых  генетическая информация хранится, реплицируется и транскрибируется;

2) выполняют важную  роль в энергетическом (фосфорном)  обмене, в аккумулировании и переносе  энергии;

3) служат агонами (коферментами  и активными простетическими  группами) в окислительно-восстановительных  ферментах;

4) играют важную роль в синтезе олиго- и полисахаридов, жиров.

Таким образом, нуклеотиды – универсальные биомолекулы, играющие фундаментальную роль в обмене веществ  и энергии живой клетки.

1.2 Первичная  структура полинуклеотидов

 

ДНК и РНК представляют собой полинуклеотиды, имеющие три уровня структуры: первичную, вторичную, третичную.

Специфичность нуклеиновых  кислот определяется не только их нуклеотидным составом, но и последовательностью  отдельных нуклеотидов в цепи нуклеиновых кислот. В состав ДНК  входит всего 4 нуклеотида, но, учитывая очень высокую молекулярную массу ДНК, нетрудно представить, что разнообразие ее типов выражается поистине астрономическими цифрами. Например, если мы возьмем цепочку, состоящую только из 100 нуклеотидов, то очевидно, что она может быть построена 4 способами.

Установлено, что ДНК  каждого определенного вида характеризуется  только ей присущей специфичной последовательностью  нуклеотидов:

 

Схематическое изображение  фрагмента полинуклеотида

 

Полинуклеотиды состоят  из нуклеотидов, соединенных фосфорноэфирными связями с участием 3'- и 5'- углеродных атомов пентозных остатков двух соседних нуклеотидов. Длинные полинуклеотидные цепи содержат тысячи, миллионы нуклеотидных остатков. Фосфатные группы в цепях обладают сильнокислыми свойствами и при рН 7,0 полностью ионизированы. Поэтому в живых клетках нуклеиновые кислоты существуют в виде полианионов. Нуклеиновые кислоты плохо растворимы в растворах кислот. Они экстрагируются из разрушенных тканей и клеток растворами нейтральных солей или фенолом.

1.3 Вторичная  и третичная структуры ДНК

 

Растворы ДНК характеризуются  аномальной (структурной) вязкостью. В  потоке обладают двойным лучепреломлением, что объясняется удлиненной формой молекул ДНК.

В расшифровку структуры  ДНК большой вклад внесли исследования Э. Чаргаффа и его сотрудников (1945–1951 гг.). Для разделения оснований, полученных при кислотном гидролизе ДНК, Э. Чаргафф использовал метод хроматографии. Каждое из этих оснований было определено спектрофотометрически. Он впервые определенно заявил, что ДНК обладают выраженной видовой специфичностью. ДНК, выделенные из различных источников, отличаются друг от друга по соотношению входящих в их состав азотистых оснований. Э. Чаргафф сформулировал закономерности состава ДНК, известные под названием правил Чаргаффа. Независимо от происхождения ДНК эти закономерности представляются следующим образом:

1) количество молекул  аденина равно количеству молекул  тимина;

2) количество молекул  гуанина равно количеству молекул  цитозина;

3) количество молекул пуриновых оснований равно количеству молекул пиримидиновых оснований;

4) количество оснований  с 6-аминогруппами в цепях ДНК  равно количеству оснований с  6-гидроксигруппами;

5) отношение (G+С)/(А+Т) резко отличается для разных видов ДНК, но постоянно для клетки одного вида; это отношение называется фактором специфичности.

Фактор специфичности  одинаков для ДНК различных органов  и тканей одного организма и практически  не отличается у разных видов животных и растений в пределах одного класса. У высших растений и животных его величина находится в пределах 0,55–0,93; у бактерий – 0,35–2,73.

Правила Чаргаффа сыграли  решающую роль в разработке проблем  молекулярной биологии. Именно они  легли в основу открытия строения ДНК, ее вторичной структуры.

Прежде чем приступить к рассмотрению этой структуры, необходимо отметить следующее. Интерес к проблеме изучения структуры ДНК возрос в связи с полной неясностью механизма воспроизведения (репликации) ДНК, который отличается очень высокой степенью точности. На основании уже полученных экспериментальных данных предполагалось, что генетическая информация в живой клетке зашифрована (т.е. записана с помощью определенного кода) в специфической последовательности оснований ДНК. Однако было неясно, как воспроизводится такая последовательность.

Соединение пар аденина  и тимина, цитозина и гуанина в  молекуле ДНК при помощи водородных связей

 

В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили модель структуры ДНК  Она учитывала рентгеноструктурные  данные Р. Франклин и М. Уилкинса и "эквимолярность" оснований, открытую Э. Чаргаффом. Модель Уотсона–Крика не только объяснила физико-химические свойства ДНК, но и дала основание высказать предположение о возможном механизме репликации ДНК. Согласно их выводу, молекула ДНК должна быть двухцепочечной. Каждое основание одной цепи "спарено" с лежащим в той же плоскости основанием второй полинуклеотидной цепи. Это спаривание специфично; поскольку количество оснований с гидроксигруппами равно количеству оснований с аминогруппами, то, по Уотсону и Крику, только определенные пары оснований входят в структуру так, что могут образовывать друг с другом водородные связи. Так как аденин содержит аминогруппу, а тимин – гидроксигруппу, цитозин и гуанин – соответственно эти же группы и поскольку они находятся в ДНК в эквимолекулярных количествах, то разрешенными являются только пары А-Т и G-С:

Между А и Т образуются две водородные связи, между G и С – три водородные связи.