Нуклеиновые кислоты

кислот: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).

Молекулярная масса самой "маленькой" из известных нуклеиновых кислот - транспортной РНК (тРНК) составляет примерно 25 кД. ДНК - наиболее крупные полимерные молекулы; их молекулярная масса варьирует от 1 000 до 1 000 000 кД. 

Фридрих Мишер выделил из ядер клеток гноя вещество, названное им

нуклеин (от греч. nucleus - ядро).
1944 г. – Эвери с сотрудниками установили, что ДНК отвечает за передачу наследственной информации.
1953 г. – Дж. Уотсоном и Ф. Криком была предложена модель пространственной структуры ДНК (Нобелевская премия по физиологии и медицине). Модель открыта с помощью рентгеноструктурного анализа. Рентгенограммы получала Р. Франклин, работавшая в команде Дж. Уотсона и Ф. Крика.

Иоганн Фридрих Мишер

Джеймс Уотсон

информации.
ДНК – хранение и воспроизведение генетической информации;
РНК – реализация

генетической информации (в ходе процессов транскрипции и трансляция).
Ген – участок ДНК, который кодирует одну или несколько полипептидных цепей.

РНК на белок получил название "центральная догма биологии". Он характерен для всех

живых организмов, за исключением некоторых РНК-содержащих вирусов.
При образовании всех видов РНК, необходимых для синтеза белков, информация об их структуре "считывается" с определённых генов в молекулах ДНК. В синтезе новых молекул белков матрицей, содержащей информацию об их строении, являются мРНК. При размножении РНК-содержащих вирусов в клетках эукариотических организмов новые молекулы ДНК могут синтезироваться с помощью процесса, в ходе которого РНК служит матрицей для синтеза комплементарной ДНК, которая может включаться в геном высших организмов (обратная транскрипция).

в составе хроматина. 0, 25 % - митохондриях (мДНК), также

имеется в хлоропластах у растений. РНК обнаружена во всех частях клетки.
Нуклеиновые кислоты в клетке находятся не в свободном виде, а в комплексе с белками.

окисления субстратов. Митохондрии имеют собственный уникальный геном, наследуемый по материнской

линии, так как он происходит из цитоплазмы яйцеклетки. Геном митохондрий сперматозоидов не попадает в оплодотворённую яйцеклетку.
Митохондриальный геном человека представлен одной кольцевой молекулой ДНК из 16 569 нуклеотидных пар. Он кодирует 13 белков, используемых на построение структурно-функциональных компонентов митохондрий.
В митохондриях отсутствуют ферменты, ответственные за репарацию, поэтому митохондриальный геном содержит немало ошибок. Митохондрии эукариотов имеют очень маленькие рибосомы с константой седиментации 55S, тогда как рибосомы прокариотов - 70S.

в клетке функции хранения, передачи и реализации генетической информации.

5'-углеродному атому пентозы (5'-фосфоэфирная связь).

полинуклеотидной цепи.
Связь между нуклеотидами – 3’, 5’ – фосфодиэфирная связь

(между фосфатной группой и 3’ и 5’ - углеродными атомами двух соседних дезоксирибоз.

Дж. Уотсоном и Ф. Криком была предложена модель пространственной структуры

ДНК.
Двойнаяспираль правозакрученная, полинуклеотидные цепи в ней антипараллельны, т.е. если одна из них ориентирована в направлении 3'→5', то вторая - в направлении 5'→3'. Поэтому на каждом из концов молекулы ДНК расположены 5'-конец одной цепи и 3'-конец другой цепи.
Таким образом, молекула ДНК состоит из двух антипараллельных цепей с комплементарной последовательностью нуклеотидов. Цепи закручены относительно друг друга в правозакрученную спираль так, что на один виток приходится примерно 10 пар нуклеотидов.

азотистыми основаниями;
Комплементарые основания уложены в стопку в сердцевине спирали. Между

основаниями двухцепочечной молекулы в стопке возникают гидрофобные взаимодействия, стабилизирующие двойную спираль.

равно числу пиримидиновых оснований (Т + С).

форма спирали. Именно она и была описана Дж. Уотсоном и

Ф. Криком.

с помощью разнообразных белков, взаимодействующих с определёнными последовательностями в структуре

ДНК.
Комплекс белков с ядерной ДНК клеток называют хроматином.

группы: гисгоновые и негистоновые белки.
Гистоны - белки с молекулярной массой 11-21

кД, содержащие много остатков аргинина и лизина. Благодаря положительному заряду гистоны образуют ионные связи с отрицательно заряженными фосфатными группами, расположенными на внешней стороне двойной спирали ДНК.

нуклеосомы, вокруг которого ДНК образует примерно 1,75 витка.

РНК
Молекула рибонуклеиновой кислоты построена из одной полинуклеотидной цепи.

Отдельные участки цепи РНК образуют спирализованные петли - "шпильки", за счёт водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями A-U и G-C.
Третичная структура РНК
Одноцепочечные РНК характеризуются компактной и упорядоченной третичной структурой, возникающей путём взаимодействия спирализованных элементов вторичной структуры. 

РНК (мяРНК)

синтеза новой комплементарной цепи. Вновь образованная двойная спираль имеет одну

исходную (родительскую) и одну вновь синтезированную (дочернюю) цепь. Такой механизм удвоения ДНК получил название "полуконсервативная репликация". Первичная структура дочерней цепи определяется первичной структурой родительской цепи, потому что в основе её образования лежит принцип комплементарности оснований (G ≡ С и А = Т).

(origin)

начала репликации), где происходит локальная денатурация ДНК, цепи расходятся и образуются

две репликативные вилки, движущиеся в противоположных направлениях.

ДНК-топоизомераза I - разрывает фосфоэфирную связь в одной из цепей двойной спирали и ковалентно присоединяется к 5'-концу в точке разрыва. По окончании формирования репликативной вилки фермент ликвидирует разрыв в цепи и отделяется от ДНК.

ДНК-хеликаза – осуществляет разрыв водородных связей в двухцепочечной молекуле ДНК.  

SSB-белки - т.е. белки, связывающиеся с одноцепочечными нитями ДНК. SSB-белки, не закрывая азотистых оснований, связываются с одноцепочечной ДНК по всей длине разделившихся цепей и таким образом предотвращают их комплементарное скручивание и образование "шпилек". 

между остатком тирозина молекулы фермента и фосфорным остатком цепи образуется

ковапентная связь;
2 - происходит локальное раскручивание двойной спирали при участии ДНК-хеликазы; ДНК-топоизомераза I восстанавливает фосфоэфирную связь.

γ, δ, ε). ДНК-полимеразы различают по числу субъединиц, молекулярной массе, ассоциации с

разными вспомогательными белками, ускоряющими процесс биосинтеза ДНК, и функциональному назначению. ДНК-полимеразы α (альфа), β (бета), δ (дельта), ε (эпсилон) участвуют в синтезе ДНК в ядре клеток, ДНК-полимераза γ (гамма) - в репликации митохондриальной ДНК.

соединения - дезоксирибонуклеозидтрифосфаты дАТФ, дГТФ, дЦТФ и дТТФ, для активации

которых необходимы ионы магния.


Синтез цепей ДНК происходит в направлении 5'→3' растущей цепи, т.е. очередной нуклеотид присоединяется к свободному 3'-ОН-концу предшествующего нуклеотидного остатка. Синтезируемая цепь всегда антипараллельна матричной цепи. В ходе репликации образуются 2 дочерние цепи, представляющие собой копии матричных цепей.

Присоединяясь к нему, ДНК-полимераза а синтезирует небольшой фрагмент РНК –

праймер состоящий из 8-10 рибонуклеотидов. ДНК-полимераза а состоит из четырёх субъединиц. Каждая из субъединиц фермента выполняет определённую функцию: "узнавание" сайта репликации, синтез праймера (8-10 рибо-нуклеотидов), синтез фрагмента цепи ДНК, около 50 дезоксирибонуклеотидов. Таким образом, ДНК-полимераза α синтезирует олигонуклеотид, содержащий примерно 60 нуклеотидных остатков; первые 8-10 представлены рибонуклеотида-ми (праймер), а остальные - дезоксирибонуклеотидами.
.

и образующий небольшой двухцепочечный фрагмент с матрицей, позволяет присоединиться ДНК-полимеразе

δ и продолжить синтез новой цепи в направлении от 5'- к 3'-концу по ходу раскручивания репликативной вилки.
ДНК-полимераза δ последовательно наращивает цепь, шаг за шагом присоединяя к ней соответствующие дезоксинуклеотиды. Выбор ДНК-полимеразой δ очередного нуклеотида определяется матрицей. Включение дезоксирибонуклеозидмонофосфатов в растущую цепь ДНК сопровождается гидролизом макроэргических связей соответствующих нуклеозидтрифосфатов и отщеплением пирофосфата (Н4Р2О7). Энергия макроэргических связей расходуется на образование 3',5'-фосфодиэфирной связи между последним нуклеотидом растущей цепи ДНК и присоединяемым нуклеотидом.
ДНК-полимеразы (α, β, γ, δ, ε) могут синтезировать нуклеотидную цепь только в направлении 5'→3', матричная цепь всегда считывается в направлении 3'→5'.

цепей. Направление синтеза цепи ДНК совпадает с направлением движения репликативной

вилки лишь для одной из вновь синтезируемых цепей (лидирующая цепь). На второй матричной цепи синтез дочерней ДНК осуществляется двумя ферментами: ДНК-полимеразой α и ДНК-полимеразой ε в направлении 5'→3', но против движения репликативной вилки. Поэтому вторая цепь синтезируется прерывисто, короткими фрагментами, которые называют "фрагменты Оказаки" (по имени открывшего их исследователя). Дочерняя цепь ДНК, синтез которой происходит фрагментами, называют отстающей цепью. Каждый фрагмент Оказаки, примерно 100 нуклеотидных остатков, содержит праймер. Праймеры удаляет ДНК-полимераза β, постепенно
152
отщепляя с 3'-конца фрагмента по одному ри-бонуклеотиду. К ОН-группе на 3'-конце предыдущего фрагмента ДНК-полимераза β присоединяет дезоксирибонуклеотиды в количестве, равном вырезанному праймеру и таким образом заполняет брешь, возникающую при удалении рибонуклеотидов.
Фермент ДНК-лигаза катализирует образование фосфодиэфирной связи между 3'-ОН-группой дезоксирибозы одного фрагмента цепи ДНК и 5'-фосфатом следующего фрагмента. Реакция протекает с затратой энергии АТФ. Таким образом, из множества фрагментов Оказаки образуется непрерывная цепь ДНК.

ДНК-полимераза β, постепенно отщепляя с 3'-конца фрагмента по одному ри-бонуклеотиду.

К ОН-группе на 3'-конце предыдущего фрагмента ДНК-полимераза β присоединяет дезоксирибонуклеотиды в количестве, равном вырезанному праймеру и таким образом заполняет брешь, возникающую при удалении рибонуклеотидов.
Фермент ДНК-лигаза катализирует образование фосфодиэфирной связи между 3'-ОН-группой дезоксирибозы одного фрагмента цепи ДНК и 5'-фосфатом следующего фрагмента. Реакция протекает с затратой энергии АТФ. Таким образом, из множества фрагментов Оказаки образуется непрерывная цепь ДНК.

цепей ДНК. Метальные группы присоединяются ко всем остаткам аденина в

последовательности -GATC-, при этом образуется N6-метиладенин, а также возможны метилирование цитозина в последовательности -GC-и образование N5-метилцитозина. Количество метилированных оснований равно примерно 1-8%. Модификация происходит при участии ферментов, использующих в качестве источника метальных групп S-аденозилметионин (SAM). Присоединение метальных групп к остаткам аденина и цитозина не нарушает комплементарности цепей .
Наличие метальных групп в цепях ДНК необходимо для формирования структуры хромосом, а также для регуляции транскрипции генов.

информация, содержащаяся в одной цепи ДНК, используется для синтеза комплементарной

нуклеотидной последовательности в цепи мРНК (матрица – одна из цепей ДНК).

терминирующая последовательность, достигая которую РНК – полимераза завершает синтез РНК.
Транскриптон

– участок ДНК ограниченный промотором и сайтом терминации, представляет собой единицу репликации.

так потому, что он взаимодействует со специфической последовательностью нуклеотидов промотора

- ТАТААА- (ТАТА-бокс) (см. предыдущий слайд).

Присоединение ТАТА-фактора облегчает взаимодействие промотора с РНК-полимеразой. Факторы инициации вызывают изменение конформации РНК-полимеразы и обеспечивают раскручивание примерно одного витка спирали ДНК, т.е. образуется транскрипционная вилка, в которой матрица доступна для инициации синтеза цепи РНК.

После того как синтезирован олигонуклеотид из 8-10 нуклеотидных остатков, σ-субъединица отделяется от РНК-полимеразы, а вместо неё к молекуле фермента присоединяются несколько факторов элонгации.

Синтез молекулы РНК идёт от 5'- к З'-концу комплементарно матричной

цепи ДНК. На стадии элонгации, в области транскрипционной вилки, одновременно разделены примерно 18 нуклеотидных пар ДНК. Растущий конец цепи РНК образует временную гибридную спираль, около 12 пар нуклеотидных остатков, с матричной цепью ДНК. По мере продвижения РНК-полимеразы по матрице в направлении от 3'- к 5'-концу впереди неё происходит расхождение, а позади - восстановление двойной спирали ДНК.

доступным для фактора терминации. Завершается синтез РНК в строго определенных

участках матрицы - терминаторах (сайты терминации). Фактор терминации облегчает отделение первичного транскрипта (пре-мРНК), комплементарного матрице, и РНК-полимеразы от матрицы. РНК-полимераза может вступить в следующий цикл транскрипции после присоединения субъединицы σ.
Первичные транскрипты мРНК, синтезированные в ходе транскрипции, прежде чем будут использованы в ходе синтеза белка, подвергаются ряду ковалентных модификаций (проуессинг). Эти модификации необходимы для функционирования мРНК в качестве матрицы.

превращению первичных транскриптов (пре – мРНК) в зрелую РНК. Включает

следующие процессы:
Кепирование – присоединение к 5’ концу пре – мРНК 7 – метилгуанозин – 5’ – трифосфата (кеп).
Полиаденилирование – присоединение к 3’ концу пре – мРНК 100 – 200 остатков аденина.
Сплайсинг - удаление интронов (участков, не кодирующих белок) и объединение экзонов (кодирующих участков).

которые формируют сплайсосому. мяРНП, взаимодействуя с РНК и друг с

другом, фиксируют и ориентируют реакционные группы первичного транскрипта. Каталитическая функция сплайсосом обусловлена РНК-составляющими; такие РНК называют рибозимами.

Разные варианты сплайсинга
могут приводить к образованию
разных изоформ одного и того же белка.
Например, ген тропонина состоит из 18 экзонов и кодирует многочисленные изоформы этого мышечного белка.
Разные изоформы тропонина образуются в разных тканях на
определённых стадиях их развития.

в ядре химической модификации (процессингу).

3'-конце (акцепторный конец), к которому присоединяется соответсующая аминокислота, а также

формирование структуры, называемой "антикодон", - триплета нуклеотидов, обеспечивающего взаимодействие тРНК с комплементарным кодоном мРНК в ходе синтеза белков.

белка. Представляют собой комплекс белков и рРНК. Локализованны в цитоплазме.

Состоят из большой и малой субъединиц.
Рибосомы эукариотов и прокариотов различаются по молекулярной массе субъединиц, количеству молекул рРНК, массе рРНК, количеству и разнообразию белков, способных связывать специфические лиганды.
Величина S характеризует скорость оседания частиц при ультрацентрифугировании и пропорциональна их молекулярной массе. Рибосома прокариотов (70S) состоит из 50S и 30S субъединиц, эукариотов (80S) - состоит из субъединиц 60S и 40S.

последовательность нуклеотидов РНК. Для него характерны определённые свойства.

действительно являются тройки нуклеотидов, или триплеты, которые получили название "кодоны".
Специфичность

- каждому кодону соответствует только одна определённая аминокислота. В этом смысле генетический код строго однозначен.
Вырожденность - в информационных молекулах (мРНК) включение в белок одной и той же аминокислоты определяют несколько кодонов. Это свойство биологического кода получило название вырожденности. У человека одним кодоном зашифрованы только 2 аминокислоты - Мет и Три, тогда как Лей, Сер и Apr - шестью кодонами, а Ала, Вал, Гли, Про, Тре - четырьмя кодонами (см. след. слайд).
Универсальность - до недавнего времени считалось, что код абсолютно универсален, т.е. смысл кодовых слов одинаков для всех изученных организмов: вирусов, бактерий, растений, земноводных, млекопитающих, включая человека. Однако позднее стало известно одно исключение, оказалось, что митохондриальная мРНК содержит 4 триплета, имеющих другое значение, чем в мРНК ядерного происхождения.

в клетке можно представить схемой ДНК-"РНК-"белок. ДНК-"РНК обозначает биосинтез молекул

РНК (транскрипцию); РНК-"белок означает биосинтез полипептидных цепей (трансляцию).