DNS nukleotīda sastāvs. Nukleotīdi. Savienojums. Struktūra. Nukleīnskābju sastāvs

Dezoksiribonukleīnskābes (DNS) ir makromolekula (viena no trim galvenajām, pārējās divas ir RNS un proteīni), kas nodrošina uzglabāšanu, pārnešanu no paaudzes paaudzē un ģenētiskās programmas īstenošanu dzīvo organismu attīstībai un funkcionēšanai. DNS satur informāciju par dažāda veida RNS un proteīnu struktūru.

Eikariotu šūnās (dzīvniekiem, augiem un sēnēm) DNS ir atrodama šūnu kodolā kā daļa no hromosomām, kā arī dažās šūnu organellās (mitohondrijās un plastidos). Prokariotu organismu (baktēriju un arheju) šūnās no iekšpuses pie šūnas membrānas ir piestiprināta apļveida vai lineāra DNS molekula, tā sauktais nukleoīds. Viņiem un zemākajiem eikariotiem (piemēram, raugiem) ir arī nelielas autonomas, galvenokārt apļveida DNS molekulas, ko sauc par plazmīdām. Turklāt vienas vai divpavedienu DNS molekulas var veidot DNS saturošu vīrusu genomu.

No ķīmiskā viedokļa DNS ir gara polimēra molekula, kas sastāv no atkārtotiem blokiem - nukleotīdiem. Katrs nukleotīds sastāv no slāpekļa bāzes, cukura (dezoksiribozes) un fosfātu grupas. Saites starp nukleotīdiem ķēdē veido dezoksiriboze un fosfātu grupa (fosfodiestera saites). Lielākajā daļā gadījumu (izņemot dažus vīrusus, kas satur vienpavedienu DNS) DNS makromolekula sastāv no divām ķēdēm, kuras viena pret otru ir orientētas ar slāpekļa bāzēm. Šī divpavedienu molekula ir spirālveida. Kopumā DNS molekulas struktūru sauc par "dubulto spirāli".

DNS struktūras atšifrēšana (1953) bija viens no pagrieziena punktiem bioloģijas vēsturē. Frensisam Krikam, Džeimsam Vatsonam un Morisam Vilkinsam 1962. gadā tika piešķirta Nobela prēmija fizioloģijā vai medicīnā par izcilu ieguldījumu šajā atklājumā. Rozalinda Frenklina, kura saņēma rentgena attēlus, bez kuriem Vatsons un Kriks nebūtu varējuši izdarīt secinājumus par DNS struktūra, nomira 1958. gadā no vēža, un Nobela prēmija netiek piešķirta pēc nāves.

Ribonukleīnskābes (RNS) ir viena no trim galvenajām makromolekulām (pārējās divas ir DNS un olbaltumvielas), kas atrodas visu dzīvo organismu šūnās.

Tāpat kā DNS (dezoksiribonukleīnskābe), RNS sastāv no garas ķēdes, kurā katru saiti sauc par nukleotīdu. Katrs nukleotīds sastāv no slāpekļa bāzes, ribozes cukura un fosfātu grupas. Nukleotīdu secība ļauj RNS kodēt ģenētisko informāciju. Visi šūnu organismi izmanto RNS (mRNS), lai programmētu olbaltumvielu sintēzi.

Šūnu RNS veidojas procesā, ko sauc par transkripciju, tas ir, RNS sintēzi uz DNS veidnes, ko veic īpaši fermenti - RNS polimerāzes. Pēc tam Messenger RNS (mRNS) piedalās procesā, ko sauc par tulkošanu. Tulkošana ir proteīna sintēze uz mRNS veidnes, piedaloties ribosomām. Citas RNS pēc transkripcijas tiek pakļautas ķīmiskām modifikācijām, un pēc sekundāro un terciāro struktūru veidošanās tās veic funkcijas, kas ir atkarīgas no RNS veida.

Vienpavedienu RNS raksturo dažādas telpiskās struktūras, kurās daži vienas ķēdes nukleotīdi ir savienoti pārī viens ar otru. Dažas ļoti strukturētas RNS ir iesaistītas šūnu proteīnu sintēzē, piemēram, pārneses RNS kalpo kodonu atpazīšanai un atbilstošo aminoskābju nogādāšanai olbaltumvielu sintēzes vietā, savukārt ribosomu RNS kalpo kā ribosomu strukturālais un katalītiskais pamats.

Tomēr RNS funkcijas mūsdienu šūnās neaprobežojas tikai ar to lomu tulkošanā. Tādējādi mazas kodola RNS ir iesaistītas eikariotu kurjeru RNS savienošanā un citos procesos.

Papildus tam, ka RNS molekulas ir daļa no dažiem fermentiem (piemēram, telomerāze), dažām RNS ir sava fermentatīvā aktivitāte: spēja veikt pārtraukumus citās RNS molekulās vai, gluži pretēji, “pielīmēt” divus RNS fragmentus. Šādas RNS sauc par ribozīmiem.

Vairāku vīrusu genomi sastāv no RNS, tas ir, tajos tā spēlē DNS lomu augstākos organismos. Pamatojoties uz RNS funkciju daudzveidību šūnā, tika izvirzīta hipotēze, saskaņā ar kuru RNS ir pirmā molekula, kas spēja pašatvairot prebioloģiskajās sistēmās.

Ir trīs galvenās atšķirības starp DNS un RNS:

• 1. DNS satur cukura dezoksiribozi, RNS satur ribozi, kurai salīdzinājumā ar dezoksiribozi ir papildu hidroksilgrupa. Šī grupa palielina molekulas hidrolīzes iespējamību, tas ir, samazina RNS molekulas stabilitāti.
• 2. Adenīnam komplementārais nukleotīds RNS nav timīns, kā tas ir DNS, bet uracils ir nemetilētā timīna forma.
• 3. DNS pastāv dubultspirāles formā, kas sastāv no divām atsevišķām molekulām. RNS molekulas vidēji ir daudz īsākas un pārsvarā vienpavedienu.

Bioloģiski aktīvo RNS molekulu, tostarp tRNS, rRNS, snRNS un citu molekulu, kas nekodē proteīnus, strukturālā analīze parādīja, ka tās nesastāv no vienas garas spirāles, bet gan no daudzām īsām spirālēm, kas atrodas tuvu viena otrai un veido kaut ko līdzīgu proteīna terciārā struktūra. Rezultātā RNS var katalizēt ķīmiskās reakcijas, piemēram, ribosomas peptidiltransferāzes centrs, kas ir iesaistīts proteīnu peptīdu saites veidošanā, pilnībā sastāv no RNS.

Līdz 1944. gadam O. Eiverijs un viņa kolēģi K. Makleods un M. Makartijs atklāja pneimokoku DNS transformējošo aktivitāti. Šie autori turpināja Grifita darbu, kurš aprakstīja transformācijas (iedzimto īpašību pārnešanas) fenomenu baktērijās. O. Avery, K. McLeod, M. McCarthy parādīja, ka, atdalot olbaltumvielas, polisaharīdus un RNS, baktēriju transformācija netiek traucēta, un, inducējošā viela tiek pakļauta enzīma dezoksiribonukleāzei, transformējošā aktivitāte pazūd.

Šajos eksperimentos pirmo reizi tika demonstrēta DNS molekulas ģenētiskā loma. 1952. gadā A. Hershey un M. Chase apstiprināja DNS molekulas ģenētisko lomu eksperimentos ar T2 bakteriofāgu. Apzīmējot tās proteīnu ar radioaktīvo sēru un DNS ar radioaktīvo fosforu, viņi inficēja E. coli ar šo baktēriju vīrusu. Fāga pēcnācējos tika atrasts liels daudzums radioaktīvā fosfora un tikai S pēdas. No tā izrietēja, ka baktērijās iekļuva DNS, nevis fāga proteīns, kas pēc replikācijas tika pārnests uz fāga pēcnācējiem. .

1. DNS nukleotīda struktūra. Nukleotīdu veidi.

Nukleotīds DNS sastāv no

Slāpekļa bāze (4 veidi DNS: adenīns, timīns, citozīns, guanīns)

Monocukura dezoksiriboze

Fosforskābe

nukleotīdu molekula sastāv no trim daļām - piecu oglekļa cukuru, slāpekļa bāzes un fosforskābes.

Cukurs iekļauts nukleotīdu sastāvs, satur piecus oglekļa atomus, tas ir, tā ir pentoze. Atkarībā no nukleotīdā esošās pentozes veida ir divu veidu nukleīnskābes - ribonukleīnskābes (RNS), kas satur ribozi, un dezoksiribonukleīnskābes (DNS), kas satur dezoksiribozi. Dezoksiribozē OH grupa pie 2. oglekļa atoma tiek aizstāta ar H atomu, tas ir, tajā ir par vienu skābekļa atomu mazāk nekā ribozē.

Abos nukleīnskābju veidi satur četru dažādu veidu bāzes: divas no tām pieder purīnu klasei un divas - pirimidīnu klasei. Gredzenā iekļautais slāpeklis piešķir šiem savienojumiem galveno raksturu. Purīni ietver adenīnu (A) un guanīnu (G), un pirimidīni ietver citozīnu (C) un timīnu (T) vai uracilu (U) (attiecīgi DNS vai RNS). Timīns ir ķīmiski ļoti tuvs uracilam (tas ir 5-metiluracils, tas ir, uracils, kurā metilgrupa atrodas pie 5. oglekļa atoma). Purīna molekulai ir divi gredzeni, savukārt pirimidīna molekulai ir viens.

Nukleotīdi ir savienoti kopā ar spēcīgu kovalento saiti caur viena nukleotīda cukuru un cita nukleotīda fosforskābi. Izrādās polinukleotīdu ķēde. Vienā galā ir brīvā fosforskābe (5'-gals), otrā ir brīvais cukurs (3'-gals). (DNS polimerāze var pievienot jaunus nukleotīdus tikai 3' galam.)

Divas polinukleotīdu ķēdes ir savienotas viena ar otru ar vājām ūdeņraža saitēm starp slāpekļa bāzēm. Ir 2 noteikumi:

komplementaritātes princips: timīns vienmēr ir pretējs adenīnam, guanīns vienmēr ir pretējs citozīnam (tie sakrīt viens ar otru pēc ūdeņraža saišu formas un skaita - starp A un G ir divas saites, bet starp C un G - 3).

antiparalēlisma princips: kur vienai polinukleotīdu ķēdei ir 5' gals, otrai ir 3' gals un otrādi.

Izrādās dubultā ķēde DNS.

Viņa sagriežas dubultspirāle, viens spirāles pagrieziens ir 3,4 nm garš, satur 10 nukleotīdu pārus. Slāpekļa bāzes (ģenētiskās informācijas glabātāji) atrodas spirāles iekšpusē, aizsargātas.

Nukleīnskābes, tāpat kā olbaltumvielas, ir būtiskas dzīvībai. Tie ir visu dzīvo organismu ģenētiskais materiāls, līdz pat vienkāršākajiem vīrusiem. Nosaukums "nukleīnskābes" atspoguļo faktu, ka tās lokalizējas galvenokārt kodolā (kodols - kodols). Ar specifisku nukleīnskābju krāsošanu kodoli ir ļoti skaidri redzami gaismas mikroskopā.

DNS struktūras izzināšana(dezoksiribonukleīnskābe) - viens no diviem esošajiem nukleīnskābju veidiem - atklāja jaunu ēru bioloģijā, jo beidzot ļāva saprast, kā dzīvie organismi uzglabā informāciju, kas nepieciešama viņu dzīves regulēšanai un kā viņi nodod šo informāciju saviem pēcnācējiem. . Mēs jau iepriekš atzīmējām, ka nukleīnskābes sastāv no monomēru vienībām, ko sauc par nukleotīdiem. No nukleotīdiem tiek uzbūvētas īpaši garas molekulas – polinukleotīdi.

Tāpēc, lai saprastu polinukleotīdu struktūru, vispirms ir jāiepazīstas ar to, kā uzbūvēti nukleotīdi.

Nukleotīdi. Nukleotīdu struktūra

nukleotīdu molekula sastāv no trim daļām - piecu oglekļa cukuru, slāpekļa bāzes un fosfora bāzes.

Cukurs iekļauts nukleotīdu sastāvs, satur piecus oglekļa atomus, tas ir, tā ir pentoze. Atkarībā no nukleotīdā esošās pentozes veida ir divu veidu nukleīnskābes - ribonukleīnskābes (RNS), kas satur ribozi, un dezoksiribonukleīnskābes (DNS), kas satur dezoksiribozi. Dezoksiribozē OH grupa pie 2. oglekļa atoma tiek aizstāta ar H atomu, tas ir, tajā ir par vienu skābekļa atomu mazāk nekā ribozē.

Abos nukleīnskābju veidi satur četru dažādu veidu bāzes: divas no tām pieder purīnu klasei un divas - pirimidīnu klasei. Gredzenā iekļautais slāpeklis piešķir šiem savienojumiem galveno raksturu. Purīni ietver adenīnu (A) un guanīnu (G), un pirimidīni ietver citozīnu (C) un timīnu (T) vai uracilu (U) (attiecīgi DNS vai RNS). Timīns ir ķīmiski ļoti tuvs uracilam (tas ir 5-metiluracils, tas ir, uracils, kurā metilgrupa atrodas pie 5. oglekļa atoma). Purīna molekulai ir divi gredzeni, savukārt pirimidīna molekulai ir viens.

Pamati Ir ierasts apzīmēt viņu vārda pirmo burtu: A, G, T, U un C.

Nukleīnskābes ir skābes, jo to molekula satur fosforskābi.

Attēlā parādīts, kā cukurs, bāze un fosforskābe savienojas, veidojot nukleotīdu molekula. Cukura kombinācija ar bāzi notiek, izdaloties ūdens molekulai, tas ir, tā ir kondensācijas reakcija. Nukleotīda veidošanai ir nepieciešama vēl viena kondensācijas reakcija - starp cukuru un fosforskābi.

Dažādi nukleotīdi atšķiras viens no otra pēc cukuru un to sastāvā esošo bāzu īpašībām.

Nukleotīdu loma organismā neaprobežojas ar kalpošanu kā nukleīnskābju celtniecības bloki; daži svarīgi koenzīmi ir arī nukleotīdi. Tie ir, piemēram, adenozīna trifosfāts (ATP), cikliskais adenozīna monofosfāts (cAMP), koenzīms A, nikotīnamīda adenīna dinukleotīds (NAD), nikotīnamīda adenīna dinukleotīda fosfāts (NADP) un flavīna adenīna dinukleotīds (FAD).

Nukleīnskābes ir dabiski lielmolekulārie savienojumi (polinukleotīdi), kuriem ir milzīga loma iedzimtas informācijas uzglabāšanā un pārraidē dzīvos organismos.

Nukleīnskābju molekulmasa var svārstīties no simtiem tūkstošu līdz desmitiem miljardu. Tie tika atklāti un izolēti no šūnu kodoliem jau 19. gadsimtā, bet to bioloģiskā nozīme tika noskaidrota tikai 20. gadsimta otrajā pusē.

Nukleotīda - nukleīnskābju struktūrvienības - sastāvs ietver trīs sastāvdaļas:

1) slāpekļa bāze - pirimidīns vai purīns

Pirimidīna bāzes- pirimidīna atvasinājumi, kas ir daļa no nukleīnskābēm:uracils, timīns, citozīns.

Bāzēm, kas satur –OH grupu, ir raksturīgs kustīgs strukturālo izomēru līdzsvars, kas saistīts ar protonu pārnesi no skābekļa uz slāpekli un otrādi:

Purīna bāzes- purīna atvasinājumi, kas ir daļa no nukleīnskābēm: adenīns, guanīns.

Guanīns pastāv kā divi strukturāli izomēri:

2) monosaharīds

Riboze un 2-dezoksiriboze termins attiecas uz monosaharīdiem, kas satur piecus oglekļa atomus. Tie ir iekļauti nukleīnskābju sastāvā cikliskās β formās:

3) fosforskābes atlikums

DNS un RNS

Atkarībā no tā, kurš monosaharīds atrodas polinukleotīda struktūrvienībā - riboze vai 2-dezoksiriboze, atšķirt

· ribonukleīnskābes(RNS) un

· dezoksiribonukleīnskābes(DNS)

Galvenā (cukura-fosfāta) RNS virkne satur atlikumus riboze un DNS 2-dezoksiriboze.
DNS makromolekulu nukleotīdu vienības var saturēt adenīns, guanīns, citozīns un timīns. RNS sastāvs atšķiras ar to, ka tā vietā timīns klāt uracils.

DNS molekulmasa sasniedz desmitiem miljonu amu. Šīs ir garākās zināmās makromolekulas. RNS molekulmasa ir daudz mazāka (no vairākiem simtiem līdz desmitiem tūkstošu). DNS atrodama galvenokārt šūnu kodolos, RNS – šūnu ribosomās un protoplazmā.

Aprakstot nukleīnskābju struktūru, tiek ņemti vērā dažādi makromolekulu organizācijas līmeņi:primārs un sekundārais struktūra.

· Primārā struktūra nukleīnskābes ir nukleotīdu sastāvs un noteikta nukleotīdu vienību secība polimēra ķēdē.

Piemēram:

Saīsinātajā viena burta apzīmējumā šī struktūra ir rakstīta kā

...– A – G – C –...

· Zem sekundārā struktūra nukleīnskābes saprot telpiski sakārtotās polinukleotīdu ķēžu formas.

DNS sekundārā struktūrasastāv no divām paralēlām nesazarotām polinukleotīdu ķēdēm, kas savītas ap kopēju asi dubultā spirālē.

Ūdeņraža saites rodas starp vienas ķēdes purīna bāzi un otras ķēdes pirimidīna bāzi. Šīs bāzes veido komplementārus pārus (no lat. komplementum- papildinājums).

Ūdeņraža saišu veidošanās starp komplementāriem bāzes pāriem ir saistīta ar to telpisko atbilstību.

Pirimidīna bāze papildina purīna bāzi:

Ūdeņraža saites starp citiem bāzes pāriem neļauj tiem iekļauties dubultās spirāles struktūrā. Tādējādi

TIMĪNS (T) papildina adenīnu (A),

Citozīns (C) papildina GUANĪNU (G).

Bāzes komplementaritāte nosakaķēdes komplementaritāteDNS molekulās.

Polinukleotīdu ķēžu komplementaritāte kalpo par ķīmisko pamatu galvenajai DNS funkcijai - iedzimto pazīmju uzglabāšanai un pārnešanai.

DNS spēju ne tikai uzglabāt, bet arī izmantot ģenētisko informāciju nosaka šādas tās īpašības:

DNS molekulas spēj replikēties (dubultoties), t.i. var nodrošināt citu DNS molekulu sintēzi, kas ir identiskas sākotnējām, jo ​​bāzu secība vienā no dubultās spirāles ķēdēm kontrolē to atrašanās vietu otrā ķēdē.

DNS molekulas var pilnīgi precīzi un noteiktā veidā virzīt noteiktas sugas organismiem raksturīgo proteīnu sintēzi.

RNS sekundārā struktūra

Atšķirībā no DNS, RNS molekulas sastāv no vienas polinukleotīdu ķēdes un tām nav stingri noteiktas telpiskās formas (RNS sekundārā struktūra ir atkarīga no to bioloģiskajām funkcijām).

RNS galvenā loma ir tieša līdzdalība olbaltumvielu biosintēzē.

Ir zināmi trīs šūnu RNS veidi, kas atšķiras pēc atrašanās vietas šūnā, sastāva, izmēra un īpašībām, kas nosaka to īpašo lomu olbaltumvielu makromolekulu veidošanā:

informatīvās (matricas) RNS pārraida DNS kodētu informāciju par proteīna struktūru no šūnas kodola uz ribosomām, kur notiek proteīna sintēze;

transporta RNS savāc aminoskābes šūnas citoplazmā un pārnes tās uz ribosomu; Šāda veida RNS molekulas "uzzina" no atbilstošajām sūtņa RNS ķēdes sekcijām, kurām aminoskābēm ir jāpiedalās proteīnu sintēzē;

Ribosomu RNS nodrošina noteiktas struktūras proteīnu sintēzi, nolasot informāciju no informatīvās (matricas) RNS.

ir sarežģīti monomēri, no kuriem tiek montētas heteropolimēru molekulas. DNS un RNS. Brīvie nukleotīdi ir iesaistīti dzīvības signālu un enerģijas procesos. DNS nukleotīdiem un RNS nukleotīdiem ir kopīgs strukturālais plāns, taču tie atšķiras ar pentozes cukura struktūru. DNS nukleotīdi izmanto cukura dezoksiribozi, bet RNS nukleotīdi izmanto ribozi.

Nukleotīda struktūra

Katru nukleotīdu var iedalīt 3 daļās:

1. Ogļhidrāts ir piecu locekļu pentozes cukurs (riboze vai dezoksiriboze).

2. Fosfora atlikums (fosfāts) ir fosforskābes atlikums.

3. Slāpekļa bāze ir savienojums, kurā ir daudz slāpekļa atomu. Nukleīnskābēs izmanto tikai 5 veidu slāpekļa bāzes: adenīnu, timīnu, guanīnu, citozīnu, uracilu. DNS ir 4 veidi: adenīns, timīns, guanīns, citozīns. RNS ir arī 4 veidi: Adenīns, Uracils, Guanīns, Citozīns.. Ir viegli redzēt, ka RNS timīns ir aizstāts ar Uracilu, salīdzinot ar DNS.

Pentozes (ribozes vai dezoksiribozes) vispārējā strukturālā formula, kuras molekulas veido nukleīnskābju "skeletu":

Ja X aizstāj ar H (X = H), tad iegūst dezoksiribonukleozīdus; ja X aizvieto ar OH (X = OH), tad iegūst ribonukleozīdus. Ja R vietā aizvietojam slāpekļa bāzi (purīnu vai pirimidīnu), tad iegūstam konkrētu nukleotīdu.

Ir svarīgi pievērst uzmanību tām oglekļa atomu pozīcijām pentozē, kas apzīmētas kā 3" un 5". Oglekļa atomu numerācija sākas no skābekļa atoma augšpusē un iet pulksteņrādītāja virzienā. Tiek iegūts pēdējais oglekļa atoms (5"), kas atrodas ārpus pentozes gredzena un veido, varētu teikt, pentozes "asti". Tātad, veidojot nukleotīdu ķēdi, enzīms var piesaistīt tikai jaunu nukleotīdu. uz oglekli 3 "un nevienam citam . Tāpēc nukleotīdu ķēdes 5" galu nekad nevar turpināt; tikai 3" galu var pagarināt.

Salīdziniet RNS nukleotīdu ar DNS nukleotīdu.

Mēģiniet noskaidrot, kurš nukleotīds tas ir šajā attēlojumā:

ATP - brīvais nukleotīds

cAMP - "atgriezes" ATP molekula

Nukleotīdu struktūras diagramma

Ņemiet vērā, ka aktivizētam nukleotīdam, kas spēj veidot DNS vai RNS ķēdi, ir "trifosfāta aste". Tieši ar šo "enerģijas piesātināto" asti tas var pievienoties jau esošajai augošās nukleīnskābes ķēdei. Fosfāta aste atrodas uz oglekļa 5, tāpēc oglekļa pozīcija jau ir aizņemta ar fosfātiem un ir paredzēta pievienošanai. Kam to piestiprināt? Tikai ogleklim 3. pozīcijā". Kad tas ir pievienots, šis nukleotīds pats kļūs par mērķi nākamā nukleotīda pievienošanai. "Saņēmēja puse" nodrošina oglekli 3. pozīcijā", un "ienākošā puse" pieķeras tai ar fosfāta aste, kas atrodas 5. pozīcijā. Kopumā ķēde aug no 3 collu puses.

DNS nukleotīdu ķēdes pagarināšana

Ķēdes augšana "garenisko" saišu starp nukleotīdiem dēļ var notikt tikai vienā virzienā: no 5" ⇒ līdz 3", jo Jaunu nukleotīdu var pievienot tikai ķēdes 3' galam, nevis 5' galam.

Nukleotīdu pāri, kas savienoti ar to slāpekļa bāzu "šķērsām" komplementārām saitēm

DNS dubultspirāles sadaļa

Atrodiet divu DNS virkņu antiparalēlisma pazīmes.

Atrodiet nukleotīdu pārus ar dubultām un trīskāršām komplementārām saitēm.