Bir DNA nükleotidinin bileşimi. nükleotidler. Birleştirmek. Yapı. Nükleik asitlerin bileşimi

Deoksiribonükleik asitler (DNA), canlı organizmaların gelişimi ve işleyişi için genetik programın depolanmasını, nesilden nesile aktarılmasını ve uygulanmasını sağlayan bir makromoleküldür (üç ana maddeden biri, diğer ikisi RNA ve proteinlerdir). DNA, çeşitli RNA ve protein türlerinin yapısı hakkında bilgi içerir.

Ökaryotik hücrelerde (hayvanlar, bitkiler ve mantarlar), DNA hücre çekirdeğinde kromozomların bir parçası olarak ve ayrıca bazı hücre organellerinde (mitokondri ve plastitler) bulunur. Prokaryotik organizmaların (bakteriler ve arkeler) hücrelerinde, hücre zarına içeriden nükleoid adı verilen dairesel veya doğrusal bir DNA molekülü eklenir. Onlar ve düşük ökaryotlar (örneğin maya) ayrıca plazmit adı verilen küçük özerk, çoğunlukla dairesel DNA moleküllerine sahiptir. Ek olarak, tek veya çift sarmallı DNA molekülleri, DNA içeren virüslerin genomunu oluşturabilir.

Kimyasal açıdan DNA, tekrarlayan bloklardan - nükleotidlerden oluşan uzun bir polimerik moleküldür. Her nükleotit, azotlu bir baz, bir şeker (deoksiriboz) ve bir fosfat grubundan oluşur. Bir zincirdeki nükleotitler arasındaki bağlar, deoksiriboz ve bir fosfat grubu (fosfodiester bağları) tarafından oluşturulur. Vakaların ezici çoğunluğunda (tek sarmallı DNA içeren bazı virüsler hariç), DNA makromolekülü, azotlu bazlar tarafından birbirine yönlendirilmiş iki zincirden oluşur. Bu çift sarmallı molekül sarmaldır. Genel olarak DNA molekülünün yapısına "çift sarmal" denir.

DNA'nın yapısının deşifre edilmesi (1953), biyoloji tarihindeki dönüm noktalarından biriydi. Francis Crick, James Watson ve Maurice Wilkins, 1962'de bu keşfe olağanüstü katkılarından dolayı Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü'ne layık görüldüler.Watson ve Crick'in radyografileri almamış olan Rosalind Franklin, Watson ve Crick hakkında sonuçlar çıkaramayacaktı. DNA'nın yapısı, 1958'de kanserden öldü ve Nobel Ödülü ölümünden sonra verilmez.

Ribonükleik asitler (RNA), tüm canlı organizmaların hücrelerinde bulunan üç ana makromolekülden (diğer ikisi DNA ve proteinlerdir) biridir.

Tıpkı DNA (deoksiribonükleik asit) gibi, RNA da her bir bağlantının bir nükleotid olarak adlandırıldığı uzun bir zincirden oluşur. Her nükleotit, azotlu bir baz, bir riboz şekeri ve bir fosfat grubundan oluşur. Nükleotit dizisi, RNA'nın genetik bilgiyi kodlamasına izin verir. Tüm hücresel organizmalar, protein sentezini programlamak için RNA (mRNA) kullanır.

Hücresel RNA, transkripsiyon adı verilen, yani özel enzimler - RNA polimerazlar tarafından gerçekleştirilen bir DNA şablonu üzerinde RNA sentezi adı verilen bir işlem sırasında oluşur. Messenger RNA'ları (mRNA'lar) daha sonra çeviri adı verilen bir süreçte yer alır. Çeviri, ribozomların katılımıyla bir mRNA şablonu üzerindeki bir proteinin sentezidir. Diğer RNA'lar, transkripsiyondan sonra kimyasal modifikasyonlara uğrarlar ve ikincil ve üçüncül yapıların oluşumundan sonra, RNA tipine bağlı olan işlevleri yerine getirirler.

Tek sarmallı RNA'lar, aynı zincirin bazı nükleotitlerinin birbiriyle eşlendiği çeşitli uzaysal yapılarla karakterize edilir. Bazı yüksek düzeyde yapılandırılmış RNA'lar hücre protein sentezinde yer alır; örneğin, transfer RNA'ları kodonları tanımaya ve karşılık gelen amino asitleri protein sentezi bölgesine iletmeye hizmet ederken, ribozomal RNA'lar ribozomların yapısal ve katalitik temeli olarak hizmet eder.

Bununla birlikte, modern hücrelerde RNA'nın işlevleri, çevirideki rolleriyle sınırlı değildir. Bu nedenle, küçük nükleer RNA'lar, ökaryotik haberci RNA'ların ve diğer süreçlerin eklenmesinde yer alır.

RNA moleküllerinin bazı enzimlerin (örneğin telomeraz) bir parçası olmasına ek olarak, bazı RNA'ların kendi enzimatik aktiviteleri vardır: diğer RNA moleküllerinde kırılmalar yapma veya tersine iki RNA fragmanını "yapıştırma" yeteneği. Bu tür RNA'lara ribozimler denir.

Bir dizi virüsün genomları RNA'dan oluşur, yani içlerinde DNA'nın daha yüksek organizmalarda oynadığı rolü oynar. Hücredeki RNA fonksiyonlarının çeşitliliğine dayanarak, RNA'nın prebiyolojik sistemlerde kendi kendini çoğaltabilen ilk molekül olduğuna göre bir hipotez ortaya atıldı.

DNA ve RNA arasında üç temel fark vardır:

• 1. DNA, şeker deoksiriboz içerir, RNA, deoksiriboz ile karşılaştırıldığında ek bir hidroksil grubuna sahip olan riboz içerir. Bu grup molekülün hidroliz olasılığını arttırır, yani RNA molekülünün stabilitesini azaltır.
• 2. RNA'da adenin için tamamlayıcı olan nükleotid, DNA'daki gibi timin değildir, ancak urasil, timinin metillenmemiş şeklidir.
• 3. DNA, iki ayrı molekülden oluşan çift sarmal şeklinde bulunur. RNA molekülleri ortalama olarak çok daha kısadır ve ağırlıklı olarak tek sarmallıdır.

tRNA, rRNA, snRNA ve proteinleri kodlamayan diğer moleküller de dahil olmak üzere biyolojik olarak aktif RNA moleküllerinin yapısal analizi, bunların tek bir uzun sarmaldan değil, birbirine yakın yerleştirilmiş çok sayıda kısa sarmaldan oluştuğunu ve benzer bir şey oluşturduğunu gösterdi. proteinin üçüncül yapısı. Sonuç olarak, RNA kimyasal reaksiyonları katalize edebilir, örneğin, proteinlerin peptit bağının oluşumunda rol oynayan ribozomun peptidil transferaz merkezi tamamen RNA'dan oluşur.

1944'te O. Avery ve meslektaşları K. McLeod ve M. McCarthy, pnömokoklarda DNA'nın dönüştürücü aktivitesini keşfettiler. Bu yazarlar, bakterilerde transformasyon (kalıtsal özelliklerin aktarımı) fenomenini tanımlayan Griffith'in çalışmalarına devam ettiler. O. Avery, K. McLeod, M. McCarthy, proteinler, polisakkaritler ve RNA çıkarıldığında, bakterilerin transformasyonunun bozulmadığını ve indükleyici madde enzim deoksiribonükleazına maruz kaldığında transforme edici aktivitenin kaybolduğunu gösterdi.

Bu deneylerde DNA molekülünün genetik rolü ilk kez gösterildi. 1952'de A. Hershey ve M. Chase, T2 bakteriyofajı üzerinde yapılan deneylerde DNA molekülünün genetik rolünü doğruladı. Proteinini radyoaktif kükürtle ve DNA'sını radyoaktif fosforla işaretleyerek E. coli'yi bu bakteri virüsüyle enfekte ettiler. Fajın soyunda, büyük miktarda radyoaktif fosfor ve yalnızca eser miktarda S tespit edildi.Böylece bakteriye nüfuz edenin fajın proteini değil, DNA olduğu ve daha sonra replikasyondan sonra, faj soyuna aktarılır.

1. DNA nükleotidinin yapısı. Nükleotid türleri.

nükleotid DNA oluşur

Azotlu baz (DNA'da 4 tip: adenin, timin, sitozin, guanin)

monoşeker deoksiriboz

Fosforik asit

nükleotid molekülü beş karbonlu şeker, azotlu baz ve fosforik asit olmak üzere üç kısımdan oluşur.

Şeker dahil nükleotid bileşimi, beş karbon atomu içerir, yani bir pentozdur. Nükleotitte bulunan pentoz tipine bağlı olarak, iki tip nükleik asit vardır - riboz içeren ribonükleik asitler (RNA) ve deoksiriboz içeren deoksiribonükleik asitler (DNA). Deoksiribozda, 2. karbon atomundaki OH grubu bir H atomu ile değiştirilir, yani ribozdakinden bir oksijen atomu eksiktir.

Hem de nükleik asit türleri dört farklı tipte baz içerir: ikisi pürinler sınıfına ve ikisi pirimidinler sınıfına aittir. Halkanın içerdiği azot bu bileşiklere ana karakteri verir. Purinler, adenin (A) ve guanin (G) içerir ve pirimidinler, sitozin (C) ve timin (T) veya urasil (U) (sırasıyla DNA veya RNA'da) içerir. Timin, kimyasal olarak urasil'e çok yakındır (5. karbon atomunda bir metil grubunun bulunduğu 5-metilurasil, yani urasildir). Pürin molekülünün iki halkası vardır, pirimidin molekülünün bir halkası vardır.

Nükleotitler, bir nükleotidin şekeri ve diğerinin fosforik asidi aracılığıyla güçlü bir kovalent bağ ile birbirine bağlanır. ortaya çıkıyor polinükleotid zinciri. Bir ucunda serbest fosforik asit (5'-ucu), diğer ucunda serbest şeker (3'-ucu) bulunur. (DNA polimeraz sadece 3' ucuna yeni nükleotidler ekleyebilir.)

İki polinükleotit zinciri, azotlu bazlar arasındaki zayıf hidrojen bağlarıyla birbirine bağlanır. 2 kural vardır:

tamamlayıcılık ilkesi: timin her zaman adenin'in zıttıdır, guanin her zaman sitozinin zıttıdır (birbirleriyle hidrojen bağlarının biçiminde ve sayısında eşleşirler - A ve G arasında iki, C ve G arasında 3 bağ vardır).

antiparalellik ilkesi: bir polinükleotit zincirinin 5' ucuna sahip olduğu, diğerinin 3' ucu olduğu ve bunun tersi de geçerlidir.

ortaya çıkıyor çift ​​zincir DNA.

o kıvrılır çift ​​sarmal, sarmalın bir dönüşü 3.4 nm uzunluğa sahiptir, 10 çift nükleotit içerir. Azotlu bazlar (genetik bilginin koruyucuları) sarmalın içindedir, korunur.

Nükleik asitler proteinler gibi yaşam için gereklidir. En basit virüslere kadar tüm canlı organizmaların genetik materyalini temsil ederler. "Nükleik asitler" adı, esas olarak çekirdekte (çekirdek - çekirdek) lokalize oldukları gerçeğini yansıtır. Nükleik asitler için özel boyama ile çekirdekler ışık mikroskobunda çok net bir şekilde görülebilir.

DNA'nın yapısını öğrenmek(deoksiribonükleik asit) - mevcut iki nükleik asit türünden biri - biyolojide yeni bir dönem açtı, çünkü sonunda canlı organizmaların hayatlarını düzenlemek için gerekli bilgileri nasıl depoladıklarını ve bu bilgileri yavrularına nasıl ilettiklerini anlamayı mümkün kıldı. . Yukarıda nükleik asitlerin nükleotid adı verilen monomerik birimlerden oluştuğunu belirtmiştik. Son derece uzun moleküller - polinükleotitler - nükleotitlerden yapılır.

Bu nedenle polinükleotitlerin yapısını anlamak için önce nasıl olduğunu bilmek gerekir. yerleşik nükleotidler.

nükleotidler. nükleotidlerin yapısı

nükleotid molekülüüç parçadan oluşur - beş karbonlu şeker, azotlu baz ve fosforlu.

Şeker dahil nükleotid bileşimi, beş karbon atomu içerir, yani bir pentozdur. Nükleotitte bulunan pentoz tipine bağlı olarak, iki tip nükleik asit vardır - riboz içeren ribonükleik asitler (RNA) ve deoksiriboz içeren deoksiribonükleik asitler (DNA). Deoksiribozda, 2. karbon atomundaki OH grubu bir H atomu ile değiştirilir, yani ribozdakinden bir oksijen atomu eksiktir.

Hem de nükleik asit türleri dört farklı tipte baz içerir: ikisi pürinler sınıfına ve ikisi pirimidinler sınıfına aittir. Halkanın içerdiği azot bu bileşiklere ana karakteri verir. Purinler, adenin (A) ve guanin (G) içerir ve pirimidinler, sitozin (C) ve timin (T) veya urasil (U) (sırasıyla DNA veya RNA'da) içerir. Timin, kimyasal olarak urasil'e çok yakındır (5. karbon atomunda bir metil grubunun bulunduğu 5-metilurasil, yani urasildir). Pürin molekülünün iki halkası vardır, pirimidin molekülünün bir halkası vardır.

Vakıflar Adlarının ilk harfini belirtmek gelenekseldir: A, G, T, U ve C.

Nükleik asitler asitlerdir çünkü molekülleri fosforik asit içerir.

Şekil şeker, baz ve fosforik asidin birleşerek nasıl oluştuğunu göstermektedir. nükleotid molekülü. Şekerin bir bazla kombinasyonu, bir su molekülünün salınmasıyla oluşur, yani bir yoğuşma reaksiyonudur. Bir nükleotit oluşumu için, şeker ve fosforik asit arasında bir yoğunlaşma reaksiyonu daha gereklidir.

çeşitli nükleotidlerşekerlerin doğası ve bunların parçası olan bazlar bakımından birbirinden farklıdır.

Nükleotitlerin vücuttaki rolü nükleik asitlerin yapı taşları olarak hizmet vermekle sınırlı değildir; bazı önemli koenzimler de nükleotidlerdir. Bunlar örneğin adenosin trifosfat (ATP), siklik adenosin monofosfat (cAMP), koenzim A, nikotinamid adenin dinükleotit (NAD), nikotinamid adenin dinükleotit fosfat (NADP) ve flavin adenin dinükleotittir (FAD).

Nükleik asitler canlı organizmalarda kalıtsal bilgilerin depolanması ve iletilmesinde büyük rol oynayan doğal makromoleküler bileşiklerdir (polinükleotitler).

Nükleik asitlerin moleküler ağırlığı yüzbinlerce ila on milyarlarca arasında değişebilir. 19. yüzyılın başlarında keşfedilmiş ve hücre çekirdeklerinden izole edilmişlerdir, ancak biyolojik rolleri ancak 20. yüzyılın ikinci yarısında aydınlatılmıştır.

Nükleotidin bileşimi - nükleik asitlerin yapısal birimi - üç bileşen içerir:

1) azotlu baz - pirimidin veya pürin

pirimidin bazları- nükleik asitlerin parçası olan pirimidin türevleri:urasil, timin, sitozin.

–OH grubunu içeren bazlar için, bir protonun oksijenden nitrojene ve bunun tersi transferinden dolayı, yapısal izomerlerin mobil dengesi karakteristiktir:

pürin bazları- nükleik asitlerin bir parçası olan pürin türevleri: adenin, guanin.

Guanin iki yapısal izomer olarak bulunur:

2) monosakkarit

Riboz ve 2-deoksiriboz beş karbon atomu içeren monosakkaritleri ifade eder. Nükleik asitlerin bileşimine siklik β-formlarında dahil edilirler:

3) fosforik asit kalıntısı

DNA ve RNA

Polinükleotidin yapısal biriminde hangi monosakaritin bulunduğuna bağlı olarak - riboz veya 2-deoksiriboz, ayırmak

· ribonükleik asitler(RNA) ve

· deoksiribonükleik asitler(DNA)

RNA'nın ana (şeker-fosfat) zinciri artıklar içerir. riboz, ve DNA'da 2-deoksiriboz.
DNA makromoleküllerinin nükleotid birimleri şunları içerebilir: adenin, guanin, sitozin ve timin. RNA'nın bileşimi, bunun yerine farklıdır. timin sunmak urasil.

DNA'nın moleküler ağırlığı on milyonlarca amu'ya ulaşır. Bunlar bilinen en uzun makromoleküllerdir. RNA'nın moleküler ağırlığı çok daha düşüktür (birkaç yüz ila on binlerce). DNA esas olarak hücrelerin çekirdeklerinde, RNA - hücrelerin ribozomlarında ve protoplazmalarında bulunur.

Nükleik asitlerin yapısını tanımlarken, makromoleküllerin farklı organizasyon seviyeleri dikkate alınır:öncelik ve ikincil yapı.

· Birincil yapı nükleik asitler, polimer zincirindeki nükleotit bileşimi ve belirli bir nükleotit birimleri dizisidir.

Örneğin:

Kısaltılmış tek harfli gösterimde bu yapı şu şekilde yazılır:

...– A – G – C –...

· Altında ikincil yapı nükleik asitler, uzamsal olarak sıralanmış polinükleotit zincir formlarını anlar.

DNA'nın ikincil yapısıortak bir eksen etrafında bir çift sarmal halinde bükülmüş iki paralel dalsız polinükleotit zincirinden oluşur.

Bir zincirin pürin bazı ile diğer zincirin pirimidin bazı arasında hidrojen bağları oluşur. Bu bazlar tamamlayıcı çiftleri oluşturur (lat. tamamlayıcı- ek).

Tamamlayıcı baz çiftleri arasında hidrojen bağlarının oluşumu, uzaysal yazışmalarından kaynaklanmaktadır.

Pirimidin bazı, pürin bazının tamamlayıcısıdır:

Diğer baz çiftleri arasındaki hidrojen bağları, onların çift sarmal yapısına uymalarına izin vermez. Böylece,

THYMIN (T), Adenin (A)'nın tamamlayıcısıdır,

SİTOSİN (C), GUANİN (G)'nin tamamlayıcısıdır.

Temel tamamlayıcılık belirlerzincir tamamlayıcılığıDNA moleküllerinde.

Polinükleotit zincirlerinin tamamlayıcılığı, DNA'nın ana işlevi olan kalıtsal özelliklerin depolanması ve iletilmesi için kimyasal temel görevi görür.

DNA'nın yalnızca genetik bilgiyi depolamakla kalmayıp aynı zamanda kullanma yeteneği, aşağıdaki özellikleriyle belirlenir:

DNA molekülleri replikasyon (iki katına çıkma), yani. Çift sarmalın zincirlerinden birindeki bazların dizisi diğer zincirdeki yerlerini kontrol ettiğinden, orijinalleriyle aynı olan diğer DNA moleküllerinin sentezini sağlayabilir.

DNA molekülleri, belirli bir türün organizmalarına özgü proteinlerin sentezini tamamen kesin ve kesin bir şekilde yönlendirebilir.

RNA'nın ikincil yapısı

DNA'nın aksine, RNA molekülleri tek bir polinükleotid zincirinden oluşur ve kesin olarak tanımlanmış bir uzaysal şekle sahip değildir (RNA'nın ikincil yapısı biyolojik işlevlerine bağlıdır).

RNA'nın ana rolü, protein biyosentezine doğrudan katılımdır.

Protein makromoleküllerinin oluşumundaki spesifik rollerini belirleyen hücre içindeki konumları, kompozisyonları, boyutları ve özellikleri bakımından farklılık gösteren üç tip hücresel RNA bilinmektedir:

bilgilendirici (matris) RNA'lar, proteinin yapısı hakkında DNA'da kodlanmış bilgileri hücre çekirdeğinden protein sentezinin gerçekleştirildiği ribozomlara iletir;

taşıma RNA'ları hücrenin sitoplazmasında amino asitleri toplar ve bunları ribozoma aktarır; Bu tip RNA molekülleri, haberci RNA zincirinin ilgili bölümlerinden hangi amino asitlerin protein sentezine katılması gerektiğini "öğrenir";

Ribozomal RNA'lar, bilgi (matris) RNA'dan bilgi okuyarak belirli bir yapının protein sentezini sağlar.

heteropolimer moleküllerinin bir araya geldiği karmaşık monomerlerdir. DNA ve RNA. Serbest nükleotitler, yaşamın sinyal ve enerji süreçlerinde yer alır. DNA nükleotitleri ve RNA nükleotitleri ortak bir yapısal plana sahiptir, ancak pentoz şekerinin yapısında farklılık gösterir. DNA nükleotitleri şeker deoksiribozu kullanırken RNA nükleotitleri riboz kullanır.

Bir nükleotidin yapısı

Her nükleotid 3 kısma ayrılabilir:

1. Bir karbonhidrat, beş üyeli bir pentoz şekeridir (riboz veya deoksiriboz).

2. Fosfor kalıntısı (fosfat), fosforik asit kalıntısıdır.

3. Azotlu baz, içinde çok sayıda azot atomu bulunan bir bileşiktir. Nükleik asitlerde sadece 5 tip azotlu baz kullanılır: Adenin, Timin, Guanin, Sitozin, Urasil. DNA'da 4 tip vardır: Adenin, Timin, Guanin, Sitozin. RNA'da ayrıca 4 tip vardır: Adenin, Urasil, Guanin, Sitozin.RNA'da Timinin yerini DNA'ya kıyasla Urasil aldığını görmek kolaydır.

Molekülleri nükleik asitlerin "iskeletini" oluşturan pentozun (riboz veya deoksiriboz) genel yapısal formülü:

X, H (X = H) ile değiştirilirse, deoksiribonükleositler elde edilir; X, OH ile değiştirilirse (X = OH), ribonükleositler elde edilir. R yerine azotlu bir baz (pürin veya pirimidin) değiştirirsek, belirli bir nükleotit elde ederiz.

Pentozdaki karbon atomlarının 3" ve 5" olarak gösterilen pozisyonlarına dikkat etmek önemlidir. Karbon atomlarının numaralandırılması, üstteki oksijen atomundan başlar ve saat yönünde ilerler. Pentoz halkasının dışında bulunan son karbon atomu (5") elde edilir ve denebilir ki, pentozun bir "kuyruğu"nu oluşturur. Bu nedenle, bir nükleotid zinciri oluştururken, enzim yalnızca yeni bir nükleotit ekleyebilir. karbon 3'e "ve başka hiçbir şeye . Bu nedenle, nükleotid zincirinin 5" ucuna asla devam edilemez; sadece 3" ucu uzatılabilir.

RNA için bir nükleotidi DNA için bir nükleotit ile karşılaştırın.

Bu gösterimde hangi nükleotidin olduğunu bulmaya çalışın:

ATP - serbest nükleotid

cAMP - "geri döngü" ATP molekülü

Nükleotid yapısının şeması

Bir DNA veya RNA zinciri oluşturabilen aktifleştirilmiş bir nükleotidin bir "trifosfat kuyruğuna" sahip olduğuna dikkat edin. Büyüyen nükleik asidin zaten var olan zincirine katılabilmesi, bu "enerjiye doymuş" kuyrukladır. Fosfat kuyruğu karbon 5'e oturur, böylece karbon pozisyonu zaten fosfatlar tarafından işgal edilir ve eklenmesi amaçlanır. Neye bağlamalı? Sadece 3" konumundaki karbona. Bir kez bağlandığında, bu nükleotidin kendisi bir sonraki nükleotidin bağlanması için bir hedef haline gelecektir. "Alıcı taraf", 3 konumundaki karbonu sağlar ve "gelen taraf" ona bir fosfat kuyruğu 5" konumunda bulunur. Genel olarak zincir 3" tarafından büyür.

DNA nükleotid zincirinin uzantısı

Nükleotitler arasındaki "uzunlamasına" bağlar nedeniyle zincir büyümesi yalnızca bir yöne gidebilir: 5" ⇒ 3" e, çünkü Yeni bir nükleotid zincirin 5' ucuna değil, sadece 3' ucuna eklenebilir.

Azotlu bazlarının "çapraz" tamamlayıcı bağları ile bağlanan nükleotid çiftleri

DNA çift sarmalının bölümü

İki DNA dizisinin antiparalellik belirtilerini bulun.

Çift ve üçlü tamamlayıcı bağları olan nükleotid çiftlerini bulun.