Skład nukleotydu DNA. Nukleotydy. Pogarszać. Struktura. Skład kwasów nukleinowych

02.07.2020

Kwasy dezoksyrybonukleinowe (DNA) to makrocząsteczka (jedna z trzech głównych, dwie pozostałe to RNA i białka), która zapewnia przechowywanie, przekazywanie z pokolenia na pokolenie oraz realizację programu genetycznego dla rozwoju i funkcjonowania organizmów żywych. DNA zawiera informacje o budowie różnych typów RNA i białek.

W komórkach eukariotycznych (zwierzęta, rośliny i grzyby) DNA znajduje się w jądrze komórkowym jako część chromosomów, a także w niektórych organellach komórkowych (mitochondriach i plastydach). W komórkach organizmów prokariotycznych (bakterii i archeonów) do błony komórkowej przyczepia się od wewnątrz okrągłą lub liniową cząsteczkę DNA, tzw. nukleoid. Oni i niższe eukarionty (na przykład drożdże) również mają małe autonomiczne, przeważnie koliste cząsteczki DNA zwane plazmidami. Ponadto jedno- lub dwuniciowe cząsteczki DNA mogą tworzyć genom wirusów zawierających DNA.

Z chemicznego punktu widzenia DNA to długa polimeryczna cząsteczka składająca się z powtarzających się bloków - nukleotydów. Każdy nukleotyd składa się z zasady azotowej, cukru (deoksyrybozy) i grupy fosforanowej. Wiązania między nukleotydami w łańcuchu tworzą dezoksyryboza i grupa fosforanowa (wiązania fosfodiestrowe). W przeważającej większości przypadków (z wyjątkiem niektórych wirusów zawierających jednoniciowy DNA) makrocząsteczka DNA składa się z dwóch łańcuchów zorientowanych względem siebie przez zasady azotowe. Ta dwuniciowa cząsteczka jest helikalna. Ogólnie struktura cząsteczki DNA nazywana jest „podwójną helisą”.

Rozszyfrowanie struktury DNA (1953) było jednym z punktów zwrotnych w historii biologii. Francis Crick, James Watson i Maurice Wilkins otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w 1962 r. Rosalind Franklin, która otrzymała radiogramy, bez których Watson i Crick nie byliby w stanie wyciągnąć wniosków na temat struktury DNA, zmarłego w 1958 roku na raka, a Nagrody Nobla nie przyznaje się pośmiertnie.

Kwasy rybonukleinowe (RNA) to jedna z trzech głównych makrocząsteczek (pozostałe dwie to DNA i białka), które znajdują się w komórkach wszystkich żywych organizmów.

Podobnie jak DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy), RNA składa się z długiego łańcucha, w którym każde ogniwo nazywa się nukleotydem. Każdy nukleotyd składa się z zasady azotowej, cukru rybozy i grupy fosforanowej. Sekwencja nukleotydów umożliwia RNA kodowanie informacji genetycznej. Wszystkie organizmy komórkowe wykorzystują RNA (mRNA) do programowania syntezy białek.

Komórkowy RNA powstaje podczas procesu zwanego transkrypcją, czyli syntezy RNA na matrycy DNA, prowadzonej przez specjalne enzymy – polimerazy RNA. Messenger RNA (mRNA) następnie biorą udział w procesie zwanym translacją. Translacja to synteza białka na matrycy mRNA z udziałem rybosomów. Inne RNA ulegają chemicznym modyfikacjom po transkrypcji, a po utworzeniu struktur drugorzędowych i trzeciorzędowych pełnią funkcje zależne od rodzaju RNA.

Jednoniciowe RNA charakteryzują się różnorodnymi strukturami przestrzennymi, w których niektóre nukleotydy tego samego łańcucha są ze sobą sparowane. Niektóre wysoce ustrukturyzowane RNA biorą udział w syntezie białek komórkowych, na przykład transferowe RNA służą do rozpoznawania kodonów i dostarczania odpowiednich aminokwasów do miejsca syntezy białek, podczas gdy rybosomalne RNA służą jako strukturalna i katalityczna podstawa rybosomów.

Jednak funkcje RNA we współczesnych komórkach nie ograniczają się do ich roli w translacji. Tak więc małe jądrowe RNA biorą udział w splicingu eukariotycznych RNA przekaźnikowych i innych procesach.

Oprócz tego, że cząsteczki RNA są częścią niektórych enzymów (na przykład telomerazy), niektóre RNA mają własną aktywność enzymatyczną: zdolność do robienia przerw w innych cząsteczkach RNA lub odwrotnie, „sklejania” dwóch fragmentów RNA. Takie RNA nazywane są rybozymami.

Genomy wielu wirusów składają się z RNA, to znaczy, że odgrywa w nich rolę, jaką odgrywa DNA w organizmach wyższych. W oparciu o różnorodność funkcji RNA w komórce wysunięto hipotezę, zgodnie z którą RNA jest pierwszą cząsteczką zdolną do samoreprodukcji w układach prebiologicznych.

Istnieją trzy główne różnice między DNA a RNA:

1. DNA zawiera cukier dezoksyrybozę, RNA zawiera rybozę, która ma dodatkową grupę hydroksylową w porównaniu z dezoksyrybozą. Ta grupa zwiększa prawdopodobieństwo hydrolizy cząsteczki, to znaczy zmniejsza stabilność cząsteczki RNA.
2. Nukleotydem komplementarnym do adeniny w RNA nie jest tymina, jak w DNA, ale uracyl jest niemetylowaną formą tyminy.
3. DNA istnieje w postaci podwójnej helisy, składającej się z dwóch oddzielnych cząsteczek. Cząsteczki RNA są przeciętnie znacznie krótsze i przeważnie jednoniciowe.

Analiza strukturalna biologicznie aktywnych cząsteczek RNA, w tym tRNA, rRNA, snRNA i innych cząsteczek, które nie kodują białek, wykazała, że nie składają się one z jednej długiej helisy, ale z wielu krótkich helis położonych blisko siebie i tworzących coś podobnego do trzeciorzędowa struktura białka. W rezultacie RNA może katalizować reakcje chemiczne, na przykład centrum transferazy peptydylowej rybosomu, które bierze udział w tworzeniu wiązania peptydowego białek, składa się w całości z RNA

Do 1944 O. Avery i jego koledzy K. McLeod i M. McCarthy odkryli transformującą aktywność DNA u pneumokoków. Autorzy ci kontynuowali pracę Griffitha, który opisał zjawisko transformacji (przenoszenia cech dziedzicznych) u bakterii. O. Avery, K. McLeod, M. McCarthy wykazali, że po usunięciu białek, polisacharydów i RNA transformacja bakterii nie zostaje zakłócona, a gdy substancja indukująca zostaje wystawiona na działanie enzymu dezoksyrybonukleazy, aktywność transformująca zanika.

W tych eksperymentach po raz pierwszy wykazano genetyczną rolę cząsteczki DNA. W 1952 roku A. Hershey i M. Chase potwierdzili genetyczną rolę cząsteczki DNA w eksperymentach na bakteriofagu T2. Oznaczając jego białko radioaktywną siarką, a DNA radioaktywnym fosforem, zainfekowali E. coli tym wirusem bakteryjnym. W potomstwie faga wykryto dużą ilość radioaktywnego fosforu i tylko śladowe ilości S. Wynikało z tego, że to DNA, a nie białko faga, przeniknęło do bakterii, a następnie po replikacji zostało przeniesione na potomstwo faga.

Struktura nukleotydu DNA. Rodzaje nukleotydów.

Nukleotyd DNA składa się z

Baza azotowa (4 typy w DNA: adenina, tymina, cytozyna, guanina)

Deoksyryboza monocukru

Kwas fosforowy

cząsteczka nukleotydu składa się z trzech części - pięciowęglowego cukru, zasady azotowej i kwasu fosforowego.

Cukier zawarty w skład nukleotydów, zawiera pięć atomów węgla, czyli jest pentozą. W zależności od rodzaju pentozy obecnej w nukleotydzie istnieją dwa rodzaje kwasów nukleinowych - kwasy rybonukleinowe (RNA) zawierające rybozę i kwasy dezoksyrybonukleinowe (DNA) zawierające dezoksyrybozę. W dezoksyrybozie grupa OH przy drugim atomie węgla jest zastąpiona atomem H, to znaczy ma o jeden atom tlenu mniej niż w rybozie.

Zarówno rodzaje kwasów nukleinowych zawiera zasady czterech różnych typów: dwie z nich należą do klasy puryn, a dwie do klasy pirymidyn. Azot zawarty w pierścieniu nadaje tym związkom główny charakter. Puryny obejmują adeninę (A) i guaninę (G), a pirymidyny obejmują cytozynę (C) i tyminę (T) lub uracyl (U) (odpowiednio w DNA lub RNA). Tymina jest chemicznie bardzo zbliżona do uracylu (jest to 5-metylouracyl, czyli uracyl, w którym grupa metylowa znajduje się przy piątym atomie węgla). Cząsteczka puryny ma dwa pierścienie, podczas gdy cząsteczka pirymidyny ma jeden.

Nukleotydy są połączone silnym wiązaniem kowalencyjnym poprzez cukier jednego nukleotydu i kwas fosforowy drugiego. Okazuje się łańcuch polinukleotydowy. Na jednym końcu znajduje się wolny kwas fosforowy (koniec 5'), na drugim wolny cukier (koniec 3'). (Polimeraza DNA może dodawać nowe nukleotydy tylko na końcu 3'.)

Dwa łańcuchy polinukleotydowe są połączone ze sobą słabymi wiązaniami wodorowymi między zasadami azotowymi. Istnieją 2 zasady:

zasada komplementarności: tymina jest zawsze przeciwieństwem adeniny, guanina jest zawsze przeciwieństwem cytozyny (pasują do siebie pod względem formy i liczby wiązań wodorowych - między A i G są dwa wiązania, a między C i G 3).

zasada antyrównoległości: gdzie jeden łańcuch polinukleotydowy ma koniec 5', drugi ma koniec 3' i na odwrót.

Okazuje się podwójny łańcuch DNA.

Ona skręca się w podwójna helisa, jeden zwój helisy ma długość 3,4 nm, zawiera 10 par nukleotydów. Bazy azotowe (przechowawcy informacji genetycznej) znajdują się wewnątrz spirali, chronione.

Kwasy nukleinowe, podobnie jak białka, są niezbędne do życia. Reprezentują materiał genetyczny wszystkich żywych organizmów, aż do najprostszych wirusów. Nazwa „kwasy nukleinowe” odzwierciedla fakt, że są one zlokalizowane głównie w jądrze (jądro – jądro). Dzięki specyficznemu wybarwieniu kwasów nukleinowych jądra są bardzo wyraźnie widoczne w mikroskopie świetlnym.

Odkrywanie struktury DNA(kwas dezoksyrybonukleinowy) - jeden z dwóch istniejących typów kwasów nukleinowych - otworzył nową erę w biologii, ponieważ w końcu umożliwił zrozumienie, w jaki sposób żywe organizmy przechowują informacje niezbędne do regulowania swojego życia i jak przekazują te informacje swojemu potomstwu . Zauważyliśmy już powyżej, że kwasy nukleinowe składają się z jednostek monomerycznych zwanych nukleotydami. Niezwykle długie cząsteczki - polinukleotydy - zbudowane są z nukleotydów.

Aby zrozumieć strukturę polinukleotydów, należy najpierw zapoznać się z tym, jak zbudowane nukleotydy.

Nukleotydy. Struktura nukleotydów

cząsteczka nukleotydu składa się z trzech części - cukru pięciowęglowego, bazy azotowej i fosforowej.

Podwaliny Zwyczajowo oznacza się pierwszą literę ich imienia: A, G, T, U i C.

Kwasy nukleinowe są kwasami, ponieważ ich cząsteczka zawiera kwas fosforowy.

Rysunek pokazuje, jak cukier, zasada i kwas fosforowy łączą się, tworząc cząsteczka nukleotydu. Połączenie cukru z bazą następuje wraz z uwolnieniem cząsteczki wody, czyli jest reakcją kondensacji. Do utworzenia nukleotydu potrzebna jest jeszcze jedna reakcja kondensacji - między cukrem a kwasem fosforowym.

Różne nukleotydy różnią się między sobą charakterem cukrów i zasad, które są ich częścią.

Rola nukleotydów w organizmie nie ogranicza się do służenia jako budulec kwasów nukleinowych; niektóre ważne koenzymy to także nukleotydy. Są to na przykład trifosforan adenozyny (ATP), cykliczny monofosforan adenozyny (cAMP), koenzym A, dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (NAD), fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego (NADP) i dinukleotyd flawinoadeninowy (FAD).

Kwasy nukleinowe to naturalne związki wielkocząsteczkowe (polinukleotydy), które odgrywają ogromną rolę w przechowywaniu i przekazywaniu informacji dziedzicznych w organizmach żywych.

Masa cząsteczkowa kwasów nukleinowych może wahać się od setek tysięcy do dziesiątek miliardów. Odkryto je i wyizolowano z jąder komórkowych już w XIX wieku, ale ich biologiczną rolę wyjaśniono dopiero w drugiej połowie XX wieku.

Skład nukleotydu - strukturalnej jednostki kwasów nukleinowych - obejmuje trzy składniki:

1) zasada azotowa - pirymidyna lub puryna

Zasady pirymidynowe- pochodne pirymidyny wchodzące w skład kwasów nukleinowych:uracyl, tymina, cytozyna.

Dla zasad zawierających grupę –OH charakterystyczna jest ruchoma równowaga izomerów strukturalnych, ze względu na przeniesienie protonu z tlenu do azotu i odwrotnie:

Bazy purynowe- pochodne puryn wchodzące w skład kwasów nukleinowych: adenina, guanina.

Guanina występuje w postaci dwóch izomerów strukturalnych:

2) monosacharyd

Ryboza i 2-dezoksyryboza odnosi się do monosacharydów zawierających pięć atomów węgla. Wchodzą w skład kwasów nukleinowych w cyklicznych formach β:

3) reszta kwasu fosforowego

DNA i RNA

W zależności od tego, który monosacharyd jest zawarty w jednostce strukturalnej polinukleotydu - ryboza lub 2-dezoksyryboza, wyróżnić

· kwasy rybonukleinowe(RNA) i

· kwasy dezoksyrybonukleinowe(DNA)

Główna (cukrofosforanowa) nić RNA zawiera reszty ryboza i w DNA 2-dezoksyryboza.
Jednostki nukleotydowe makrocząsteczek DNA mogą zawierać adenina, guanina, cytozyna oraz tymina. Skład RNA różni się tym, że zamiast tymina obecny uracyl.

Masa cząsteczkowa DNA sięga dziesiątek milionów amu. To najdłużej znane makrocząsteczki. Masa cząsteczkowa RNA jest znacznie niższa (od kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy). DNA znajduje się głównie w jądrach komórkowych, RNA - w rybosomach i protoplazmie komórek.

Opisując strukturę kwasów nukleinowych brane są pod uwagę różne poziomy organizacji makrocząsteczek:podstawowy oraz wtórny Struktura.

· Podstawowa struktura kwasy nukleinowe to kompozycja nukleotydowa i pewna sekwencja jednostek nukleotydowych w łańcuchu polimerowym.

Na przykład:

W skróconym zapisie jednoliterowym struktura ta jest zapisana jako

...– A – G – C –...

· Pod struktura drugorzędowa kwasy nukleinowe rozumieją przestrzennie uporządkowane formy łańcuchów polinukleotydowych.

Wtórna struktura DNAskłada się z dwóch równoległych nierozgałęzionych łańcuchów polinukleotydowych skręconych wokół wspólnej osi w podwójną helisę.

Taka przestrzenna struktura jest utrzymywana przez wiele wiązań wodorowych utworzonych przez zasady azotowe skierowane do wewnątrz helisy.

Wiązania wodorowe występują między zasadą purynową jednego łańcucha a zasadą pirymidynową drugiego łańcucha. Te zasady tworzą pary komplementarne (od łac. dopełniacz- dodatek).

Tworzenie wiązań wodorowych między komplementarnymi parami zasad wynika z ich przestrzennej korespondencji.

Zasada pirymidynowa jest komplementarna do zasady purynowej:

Wiązania wodorowe między innymi parami zasad nie pozwalają im dopasować się do struktury podwójnej helisy. Zatem,

THYMIN (T) uzupełnia Adeninę (A),

CYTOZYNA (C) jest komplementarna do GUANINY (G).

Bazowa komplementarność warunkujekomplementarność łańcuchaw cząsteczkach DNA.

Komplementarność łańcuchów polinukleotydowych stanowi podstawę chemiczną dla głównej funkcji DNA - przechowywania i przekazywania cech dziedzicznych.

Zdolność DNA nie tylko do przechowywania, ale także do wykorzystywania informacji genetycznej zależy od jego następujących właściwości:

Cząsteczki DNA są zdolne do replikacji (podwojenia), tj. może umożliwić syntezę innych cząsteczek DNA identycznych z oryginalnymi, ponieważ sekwencja zasad w jednym z łańcuchów podwójnej helisy kontroluje ich położenie w drugim łańcuchu.

Cząsteczki DNA mogą kierować syntezą białek specyficznych dla organizmów danego gatunku w całkowicie precyzyjny i określony sposób.

Drugorzędowa struktura RNA

W przeciwieństwie do DNA, cząsteczki RNA składają się z pojedynczego łańcucha polinukleotydowego i nie mają ściśle określonego kształtu przestrzennego (struktura drugorzędowa RNA zależy od ich funkcji biologicznych).

Główną rolą RNA jest bezpośredni udział w biosyntezie białek.

Znane są trzy typy komórkowego RNA, które różnią się umiejscowieniem w komórce, składem, wielkością oraz właściwościami, które determinują ich specyficzną rolę w tworzeniu makrocząsteczek białkowych:

informacyjne (macierzowe) RNA przekazują zakodowaną w DNA informację o strukturze białka z jądra komórkowego do rybosomów, gdzie odbywa się synteza białka;

transportowe RNA gromadzą aminokwasy w cytoplazmie komórki i przenoszą je do rybosomu; Cząsteczki RNA tego typu „uczą się” z odpowiednich odcinków łańcucha informacyjnego RNA, które aminokwasy powinny uczestniczyć w syntezie białek;

Rybosomalne RNA zapewniają syntezę białek o określonej strukturze, odczytując informacje z informacyjnego (macierzowego) RNA.

są złożonymi monomerami, z których składają się cząsteczki heteropolimeru. DNA i RNA. Wolne nukleotydy biorą udział w procesach sygnałowych i energetycznych życia. Nukleotydy DNA i nukleotydy RNA mają wspólny plan strukturalny, ale różnią się budową cukru pentozowego. Nukleotydy DNA wykorzystują dezoksyrybozę cukru, podczas gdy nukleotydy RNA rybozę.

Struktura nukleotydu

Każdy nukleotyd można podzielić na 3 części:

1. Węglowodan to pięcioczłonowy cukier pentozowy (ryboza lub dezoksyryboza).

2. Pozostałość fosforowa (fosforanowa) to pozostałość kwasu fosforowego.

3. Zasada azotowa to związek, w którym występuje wiele atomów azotu. W kwasach nukleinowych stosuje się tylko 5 rodzajów zasad azotowych: adenina, tymina, guanina, cytozyna, uracyl. W DNA występują 4 typy: adenina, tymina, guanina, cytozyna. W RNA występują również 4 rodzaje: Adenina, Uracyl, Guanina, Cytozyna.W RNA łatwo zauważyć, że tymina jest zastępowana przez Uracyl w porównaniu z DNA.

Ogólny wzór strukturalny pentozy (rybozy lub dezoksyrybozy), której cząsteczki tworzą „szkielet” kwasów nukleinowych:

Jeśli X jest zastąpiony przez H (X = H), otrzymuje się dezoksyrybonukleozydy; jeśli X jest zastąpiony przez OH (X = OH), otrzymuje się rybonukleozydy. Jeśli podstawimy zasadę azotową (purynę lub pirymidynę) zamiast R, otrzymamy określony nukleotyd.

Należy zwrócić uwagę na te pozycje atomów węgla w pentoza, które są oznaczone jako 3" i 5". Numeracja atomów węgla zaczyna się od atomu tlenu na górze i przebiega zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Otrzymuje się ostatni atom węgla (5"), który znajduje się poza pierścieniem pentozy i tworzy, można powiedzieć, "ogon" pentozy. Tak więc budując łańcuch nukleotydów, enzym może przyłączyć tylko nowy nukleotyd do węgla 3 "i do żadnego innego . Dlatego koniec 5" łańcucha nukleotydowego nigdy nie może być kontynuowany; tylko koniec 3" może być wydłużony.

Porównaj nukleotyd RNA z nukleotydem DNA.

Spróbuj dowiedzieć się, jaki to nukleotyd w tej reprezentacji:

ATP - wolny nukleotyd

cAMP - „pętla zwrotna” cząsteczki ATP

Schemat budowy nukleotydów

Należy zauważyć, że aktywowany nukleotyd zdolny do budowania łańcucha DNA lub RNA ma „ogon trifosforanowy”. To właśnie z tym „nasyconym energią” ogonem może dołączyć do już istniejącego łańcucha rosnącego kwasu nukleinowego. Ogon fosforanowy jest osadzony na węglu 5, tak że pozycja węgla jest już zajęta przez fosforany i ma być przyłączona. Do czego go przyczepić? Tylko do węgla w pozycji 3”. Po przyłączeniu ten nukleotyd sam stanie się celem dla następnego nukleotydu do przyłączenia. „Strona odbierająca” dostarcza węgiel w pozycji 3”, a „strona przychodząca” przywiera do niego za pomocą ogon fosforanowy umieszczony w pozycji 5". Na ogół łańcuch rośnie od strony 3".

Wydłużenie łańcucha nukleotydowego DNA

Wzrost łańcucha z powodu „wzdłużnych” wiązań między nukleotydami może iść tylko w jednym kierunku: od 5" do 3", ponieważ Nowy nukleotyd można dodać tylko na końcu 3' łańcucha, a nie na końcu 5'.

Pary nukleotydów połączone „krzyżowymi” wiązaniami komplementarnymi ich zasad azotowych

Sekcja podwójnej helisy DNA

Znajdź oznaki antyrównoległości dwóch nici DNA.

Znajdź pary nukleotydów z podwójnymi i potrójnymi wiązaniami komplementarnymi.