Нуклеиновые кислоты

Що стосується вмісту і локалізації РНК в  клітках, то воно не відрізняється ні одноманітністю, ні стабільністю:

• у клітинах, де йде інтенсивний біосинтез білків, вміст РНК у декілька разів перевищує вміст ДНК (наприклад, в печінці щура РНК в 4 рази більше, ніж ДНК)
• там, де синтез білка невеликий, співвідношення ДНК і РНК може бути зворотним (наприклад, в легенях щура РНК в 2 рази менше, ніж ДНК).

За функціональним значенням і молекулярною масою, так само як і за локалізацією в  клітині, РНК ділять на наступні види:

 

1. Інформаційні, або матричні, РНК (мРНК) мають молекулярні маси, що змінюються в широких межах (від 300 тис. до 4 млн.). Складає 2…6 % від загальної кількості РНК.

Виникаючи у формі високомолекулярних попередників в ядрі клітини або  на ДНК інших субклітинних часток, мРНК (у вигляді рибонуклеопротеїнів) переміщаються до рибосом; у складі останніх вони виконують матричну функцію в процесі збірки поліпептидних ланцюгів, тобто зчитує інформацію з ДНК і переносить її у рибосоми, де відбувається синтез білка.

Довжина ланцюга м-РНК залежить від довжини поліпептидного ланцюга білка, що синтезується, наприклад для поліпептиду, з 100 залишків амінокислот потрібно 300 нуклеотидів.

2. Транспортні РНК (тРНК) відрізняються порівняно невисокою молекулярною масою – 17000—35000 (75-90 нуклеотидів). На частку транспортних РНК (тРНК) припадає близко 15 % клітинної РНК.

Виконують функцію кодування і перенесення активованих амінокислот в рибосомальний апарат клітини в процесі біосинтезу білків. Кожній амінокислоті відповідає специфічна тРНК.

До складу тРНК, крім аденілової, гуанілової, цитидилової і уридилової кислот, у незначних кількостях входять  мінорні нуклеотиди (до 10%). Наявність мінорних основ робить молекулу РНК стійкою до дії нуклеаз (ферментів, що руйнують складно-ефірний зв’язок між нуклеотидами).

Всі молекули тРНК можна зобразити у вигляді  двовимірного «листка конюшини», де значна кількість основ парні.

Транспортна РНК має акцепторне стебло – найдовшу спіралізовану структуру в молекулі РНК, до якого приєднується відповідна амінокислота.

Нуклеотидні ланцюги, які не беруть участі в утворенні  водневих зв'язків, утворюють п'ять  характерних структурних елементів (петлеподібні структури, які не мають спарених нуклеотидів):

1) 3’-кінець, що складається з чотирьох залишків, три останніх з яких у більшості випадків є ЦЦА. Карбоксильна група відповідної амінокислоти зв'язується 3’-гідроксидною групою кінцевого аденозинового залишку за допомогою аміноацил-тРНК-синтетази;

2) ТYС-петля складається а семи нуклеотидних залишків, послідовність яких завжди 5’-ТYЦЦ-3’;

3) сильно варіююча (за розміром і складом) додаткова петля;

4) антикодонова петля, що містить сім залишків, включаючи комплементарну кодону послідовність, містить триплет нуклеотидів (антикодон), який є комплементарним кодону мРНК;

5) D-петля, що складається з 8–12 залишків, декілька з яких – дигідроуридинові.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ділянки тРНК, які  не беруть участі у зв'язуванні амінокислоти і у виконанні кодуючої функції, використовуються для зв'язування тРНК з:

• рибосомою (ТYС-петля),
• специфічною аміноацил-тРНК-синтетазою (D-петля).

Модифіковані  основи, які не беруть участі в утворенні  водневих зв'язків, відіграють деяку  роль у створенні необхідної конформації  тРНК.

 

3. Рибосомальні РНК (рРНК) характеризуються в основному великими молекулярними массами:

• 1,1×10⁶ — 1,7×10⁶ – в РНК 50—60S субчастин рибосом,
• 550 тис. — 700тис. – в РНК 30—40S субчастин рибосом,
• ~ 50 тис. в РНК 5,8S субчастин рибосом,
• 40 тис. – в РНК 5S субчастин рибосом;

локалізовані  в рибосомах, є їх структурною основою і виконують в них різні функції.

Близько 80 % всієї РНК клітин припадає на рибосомну РНК. У складі рибосом рРНК знаходиться у комплексі з білками.

 

4. Вірусні  РНК відрізняються різноманітними і високими молекулярними масами, що знаходяться в основному в межах декількох мільйонів дальтон. Вони є складовими частинами вірусних і фагових рибонуклеопротеїнів, несуть всю інформацію, необхідну для розмноження вірусу в клітинах господаря.

 

 

 

СТРУКТУРА НУКЛЕЇНОВИХ  КИСЛОТ

 

Первинна  структура нуклеїнових кислот.

Характерні для  кожного виду нуклеїнових кислот мононуклеотиди, об'єднуючись в кількості  декількох сотень, а інколи і тисяч  в єдину молекулу, утворюють величезні полінуклеотидні ланцюги.

Таким чином, за своєю хімічною будовою нуклеїнові кислоти є полірибонуклеотидами (РНК) і полідезоксирибонуклеотидами (ДНК).

Оскільки молекулярна  маса нуклеїнових кислот коливається  в широких межах, встановити первинну структуру всіх відомих РНК і  особливо ДНК вельми складно.

Проте у всіх полінуклеотидних ланцюгах нуклеотидні залишки зв'язуються через фосфатну групу. Фосфатна група утворює два складноефирних зв'язки: 3-м вуглецевим атомом (С-3') рибози (або дезоксирибози) попереднього нуклеотидного залишку і з 5-м вуглецевим атомом (С-5') рибози (або дезоксирибози) наступного, утворюючи таким чином 3',5'-фосфодіефірний зв'язок:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Первинна структура нуклеїнових кислот визначається послідовністю (порядком чергування) мононуклеотидів, зв'язаних 3',5'-фосфодіефірним зв'язком в полінуклеотидний ланцюг.

Якщо уявно завершити  структуру зображених вище фрагментів ДНК і РНК кінцевими нуклеотидами, то при 5'-вуглецевому атомі залишку  дезоксирибози у випадку ДНК (або  рибози у випадку РНК) виявиться  залишок фосфорної кислоти, а  на протилежному кінці ланцюга біля 3'-вуглецевого атому залишку дезоксирибози (або рибози) — гідроксильна група.

Ці нуклеотидні  залишки утворюють 5'- і 3'-кінці молекул  ДНК і РНК. Перший, тобто 5'-кінцевий (з вільною 5'-ОН-групою), нуклеотид прийнято вважати початком молекули нуклеїнової кислоти, а другий, тобто 3'-кінцевий (з вільною 3'-ОН-групою), нуклеотид — її кінцем.

Залежно від  молекулярної маси нуклеїнової кислоти  коефіцієнт поліконденсації, тобто  число нуклеотидних ланок, зв'язаних в єдиний полінуклеотидний ланцюг, варіює в широких межах. Якщо прийняти середню молекулярну масу нуклеотидного залишку рівною 330, то для молекул ДНК коефіцієнт поліконденсації виразиться десятками і сотнями тисяч ланок, а для РНК — всього лише десятками, сотнями і в деяких випадках — тисячами ланок.

Назва полінуклеотиду утворюється з назв нуклеозидів із зазначенням типу зв’язку. Назву полінуклеотиду найчастіше починають з 5’-кінця. Приклад назви тринуклеотидів, що містять рибозу (R – ОН) або дезоксирибозу (R – Н) наведено нижче:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Встановлення  нуклеотидного складу, як правило, здійснюють шляхом дослідження продуктів гідролітичного розщеплення нуклеїнових кислот.

ДНК і РНК  розрізняються поведінкою в умовах лужного і кислотного гідролізу. ДНК стійка до гідролізу в лужному середовищі. РНК легко гидролизуются в м'яких умовах в лужному середовищі до нуклеотидів, які у свою чергу здатні в лужному середовищі відщеплювати залишок фосфорної кислоти з утворенням нуклеозидів. Нуклеозиди в кислому середовищі гидролизуются до гетероциклічних основ і вуглеводів.

Хімічний гідроліз ДНК майже не використовують із-за ускладнення його побічними процесами. Застосовують ферментативний гідроліз під дією нуклеаз. Такі ферменти проявляють специфічність по відношенню до різних типів нуклеїнових кислот.

 

 

 

Вторинна структура нуклеїнових кислот

 

Вторинна  структура ДНК.

Під вторинною  структурою розуміють просторову організацію  полінуклеотидного ланцюга. У 1953 р. Дж. Уотсон і Ф. Крік описали вторинну структуру ДНК у вигляді подвійної спіралі (рис. 67, Б). Вона характерна для більшості молекул ДНК (в даний час відомі і інші просторові форми ДНК), лише ДНК деяких фагів одноланцюгові.

Згідно моделі Уотсона-Крика молекула ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, правозакручених навколо загальної осі з утворенням подвійної спіралі, що має діаметр 1,8 … 2,0 нм.

Два полінуклеотидні ланцюги антипаралельні один до одного, тобто напрями утворення фосфодиефірних зв'язків в них протилежні: у одному ланцюзі 5'–>3', в іншому — 3'–>5'.

Пуринові і  піримідинові основи направлені всередину  спіралі. Між пуриновою основою  одного ланцюга і піримідиновою  основою іншого ланцюга виникають  водневі зв'язки. Ці основи утворюють комплементарні пари.

Водневі зв'язки утворюються між аміногрупою однієї основи і карбонільної групою іншої >NH^...O=C<, а також між амідним і імідним атомами азоту >NH...N .

Наприклад, між аденіном і тиміном утворюються два водневі зв'язки і ці гетероциклічні основи складають комплементарну пару. Це означає, що аденіну в одному ланцюзі відповідатиме тимін в іншому ланцюзі. Іншу пару комплементарних основ складають гуанін і цитозин, між якими виникають три водневі зв'язки (рис. 66).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Водневі зв'язки між  комплементарними основами — один з видів взаємодій, що стабілізують подвійну спіраль. Два ланцюги ДНК, створюючи подвійну спіраль, не ідентичні, але комплементарні між собою. Це означає, що первинна структура, тобто, нуклеотидна послідовність, одного ланцюга зумовлює первинну структуру другого ланцюга.

 

 

Правила Чаргафа.

Аналіз нуклеотидного  складу ДНК і РНК (співвідношень  пуринових і пиримидинових основ) дозволив Е. Чаргафу у 1950 р. сформулювати ряд правил:

1. В ДНК молярна сума Г і А (пуринові основи) дорівнює молярній сумі Ц і Т (піримідинові основи). Ця закономірність не властива РНК, де відношення пуринових і піримідинових основ змінюється в широких межах.

А + Г = Ц + Т або

2. У молекулах ДНК число залишків А завжди дорівнює числу залишків Т. В такому ж відношенні знаходяться Г і Ц. У молекулах РНК цього немає, хоча у багатьох випадках молярні співвідношення основ близькі (тут мається на увазі, що Т і У в молекулах ДНК і РНК рівноцінні).

А = Т та Г = Ц, відповідно

; .

3. Відношення суми молярних концентрацій Г і Ц до суми молярних концентрацій А і Т в ДНК і А і У в РНК в обох видів нуклеїнових кислот сильно варіює. Особливо широкі кордони мінливості цього показника в ДНК.

4. Кількість основ, що містять аміногрупу в положеннях 4 піримідинового та 6 пуринового ядер, дорівнює кількості основ, що містять у цих же положеннях оксогрупу. Це означає, що кількість аденіну та цитозину рівна кількості гуаніну та тиміну:

А + Ц = Г + Т або

Правила Чаргаффа на РНК не поширюються, оскільки РНК  містить велику кількість мінорних основ.

 

Дві перші  закономірності в будові ДНК і РНК пов'язують з особливостями їх вторинної структури. У створенні вторинної структури полінуклеотидного ланцюга виняткове значення мають водневі зв'язки, що виникають між парами основ: А і Т (у РНК — А і В) і Г і Ц (у обох видах нуклеїнових кислот). Основи, створюючи пари, в яких вони поєднуються водневими зв'язками, називаються комплементарними.

Характер водневих зв'язків між комплементарними основами показаний на рис. 66. З одного боку, водневі зв'язки замикаються між  аміногрупами і кетогрупами, що займають певне положення в молекулах  пуринових і піримідинових основ.

У цьому і  полягає комплементарність, тобто доповнюваність в хімічній будові пуринових і піримідинових основ: там, де у пуринової основи розташована аміногрупа, у піримідинової знаходиться кетогрупа, і навпаки.

З іншого боку, водневі  зв'язки утворюються за рахунок взаємодії  за атомами N і NH-групам, де вони також доповнюють один одного.

Саме тому в  ДНК число молей А дорівнює числу молей Т, а число молей  Г дорівнює числу молей Ц. Природно, що сумарний вміст пуринів і піримідинів  однаковий.

Третя закономірність в співвідношенні пуринових і піримідинових основ пов'язана із специфічністю ДНК і РНК. Тому відношення Г+Ц / А+Т(У) називається коефіцієнтом специфічності нуклеїнових кислот.

Встановлено, що ДНК має чітко виражену видову специфічність. Особливо різкі видові відмінності характерні для ДНК. виділених з мікроорганізмів. В РНК видова специфічність відношенням виражена слабкіше.

Загалом, коефіцієнт специфічності в ДНК варіює:

• від 0,45 до 2,57 у мікроорганізмів,
• від 0,58 до 0,94 у вищих рослин,
• від 0,54 до 0,81 у тварин.

У тотальної РНК коефіцієнт специфічності, як правило, вище за одиницю.