Основы биохимии. Лекция 3 Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты – природные высокомолекулярные полимеры, осуществляющие хранение и передачу генетической информации в клетке. ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота РНК - рибонуклеиновая кислота

Центральная догма молекулярной генетики (Ф.Крик) Это пути переноса генетической информации в живой природе. Белок РНК ДНК Трансляция Транскрипция Репликация Функции нуклеиновых кислот в клетке

Нуклеиновые кислоты Нуклеиновые кислоты построены из мономерных звеньев – нуклеотидов.

Строение нуклеотидов Нуклеотиды – мономерные звенья ДНК и РНК. Нуклеотид состоит из 3-х частей: 1. Азотистое основание 2. Моносахарид 3. Фосфатная группа Нуклеозид –это нуклеотид без фосфатной группы. Т.о., нуклеотид – это фосфоэфир нуклеозида.

Нуклеотидная связь Нуклеотиды связаны между собой при помощи фосфодиэфирной связи. Образование фосфодиэфирной связи Фосфодиэфирные связи

Состав нуклеиновых кислот Гетероциклические основания Производные пурина Аденин (А)Гуанин (G) Урацил (U)Тимин (Т)Цитозин (С) Производные пурина Производные пиримидина Состав ДНК: T, C, A, G Состав РНК: U, C, A, G

Состав нуклеиновых кислот Сахара Сахар в составе нуклеотида - это пентоза, которая может присутствовать в одной из 2-х форм: β-D-рибозы ( рибонуклеотиды - РНК) β-D-2-дезоксирибозы ( дезоксирибонуклеотиды - ДНК) β-D-рибоза β-D-2-дезоксирибоза

Состав нуклеиновых кислот. Фосфаты. Фосфаты обычно присоединены к ОН-группе при С-5' атоме рибозы или дезоксирибозы. В нуклеотидах встречаются моно-, ди- и трифосфаты. Фосфат придает нуклеотиду отрицательный заряд !!!!

Строение нуклеотидов Аденозин - 5'- монофосфат Рибоза Фосфат Аденин N - гликозидная связь

Номенклатура нуклеотидов и нуклеозидов Нуклеозиды Аденин Аденозин (А), Дезоксиаденозин (da) Гуанин Гуанозин (G), Дезоксигуанозин (dG) Цитозин Цитидин (С), Дезоксицитидин (dС) Тимин Тимидин (Т), Дезокситимидин (dТ) Урацил Уридин (U), Дезоксиуридин (dU) Нуклеотиды

Строение нуклеиновых кислот РНК и ДНК построены соответственно из ковалентно связанных рибонуклеотидных или дезоксирибонуклеотидных звеньев. Нуклеотиды соединяются между собой фосфодиэфирными связями, связывающими 5'-ОН группу одного нуклеотида и 3'-ОН группу следующего нуклеотида. При этом образуется регулярная основная цепь фосфат-сахар-фосфат- сахар-….. Азотистые основания присоединены к сахарам аналогично тому, как присоединены боковые группы в белках. 5'-конец 3'-конец Фосфодиэфирная связь 3' 5'

Строение нуклеиновых кислот 5'-ОН-конец 3'-ОН-конец Фосфодиэфирная связь 3' 5'

Схематическая запись НК 5'-ОН-конец Фосфодиэфирная связь 3' 5' Фосфодиэфирная связь 3' 5' 3'-ОН-конец

Другие функции нуклеотидов Кроме роли мономерных звеньев нуклеиновых кислот, нуклеотиды выполняют в клетке много других функций: 1. Переносят химическую энергию благодаря наличию легко гидролизующихся кислотно-ангидридных связей ( АТФ). ΔGº = – 7,3 ккал/моль

Другие функции нуклеотидов 2. Нуклеотиды соединяются с другими группами, образуя коферменты ( Со А, FAD, NAD). Коэнзим А

Другие функции нуклеотидов Нуклеотидные коферменты НАД + ФАД

Другие функции нуклеотидов 2. Нуклеотиды используются в клетке в качестве специфических сигнальных молекул ( сAMP, cGMP).

Определение первичной структуры НК 1. Полинуклеотидную цепь расщепляют на фрагменты при помощи ферментов-рестриктаз и химических агентов, обладающих избирательностью. 2. Определяют структуру полученных фрагментов цепи НК. 3. Реконструируют всю цепь НК.

Пространственная структура нуклеиновых кислот. ДНК Двойная спираль УОТСОН-КРИК (1953 г.): 2 НК-цепи соединены друг с другом с помощью водородных связей и образуют правовинтовую спираль вокруг общей оси. 2 цепи двойной спирали антипараллельны и комплементарны, т.е., образование поперечных водородных связей всегда происходит между основаниями C и G (2 связи) или А и Т (3 связи).

Пространственная структура ДНК

Комплементарность оснований А Т G C

Двойная спираль ДНК h= 0,34 нм - шаг спирали Н=3,4 нм – 10 п. о.- виток спирали d= 2,0 нм

Силы, стабилизирующие двойную спираль ДНК 1. Водородное связывание комплементарных оснований А-Т и G-C. 2.Стэкинг-взаимодействия между параллельно расположенными основаниями, перпендикулярно плоскости оснований: -Ван-дер-ваальсовы контакты между атомами. -Перекрывание π- орбиталей атомов азотистых оснований. 3. Гидрофобный эффект – неполярные основания расположены внутри спирали. 4. Гидрофильный сахарофосфатный остов ДНК экспонирован наружу спирали.

А-, В- и Z-формы ДНК В-форма ДНК h= 0,34 нм – расстояние между соседними звеньями (шаг спирали) Н=3,4 нм – 10 пар оснований (виток спирали) А-форма ДНК h= 0,26 нм Н=2,86 нм – 11 пар оснований Z-форма ДНК Левая спираль - 12 п.о. на 1 виток

А-, В- и Z-формы ДНК А-формаВ-формаZ-форма

Денатурация двойной спирали ДНК Под действием внешних факторов (Т (80-90ºС), рН7, химические агенты) двойная спираль распадается на единичные цепи ( ковалентные связи не разрываются !!!!) Температура плавления ДНК – степень спирализации - 50%. Признак денатурации ДНК – резкое падение вязкости раствора. Ренатурация ДНК происходит при приведении Т и рН к физиологическим условиям.

История открытия двойной спирали 1868 г. Ф.Мишер (клеточное ядро, нуклеин) 1943 г. Опыты с пневмококками 1952 г. Опыты с вирусами Аналитические правила Э. Чаргаффа

1. Препараты ДНК из разных тканей одного и того же вида организма имеют одинаковый нуклеотидный состав. 2. Нуклеотидный состав ДНК у разных видов. различен 3. Нуклеотидный состав ДНК у данного вида не меняется с возрастом, не зависит от его питания и от изменений окружающей среды. 4. Независимо от вида организма: - число А-остатков равно числу Т-остатков, - число G-остатков равно числу С-остатков. Т.е., сумма пуриновых оснований равно сумме пиримидиновых оснований А+G=Т+С

Пространственная структура ДНК 1953 г. Генетик Д. Уотсон Физик Ф. Крик Трехмерная модель ДНК объяснила данные РСА и парность оснований.

Трехмерная модель ДНК

Упаковка ДНК в клетке Длина клеточной ДНК человека в форме двойной спирали – 1,74 м !!!! Поэтому хромосомы – это очень сильно конденсированные структуры.

Уровни компактизации ДНК

Циклические ДНК Многие бактерии Многие вирусы Митохондрии Хлоропласты

Размер ДНК Организм ДНК (п.н.) Число генов SV40 (вирус животных) 5,0 ּ10³ 5 Т4 (бактериофаг) 2,0 ּ E. coli (бактерия) 4,6 ּ Гаплоидная клетка 2,8 ּ человека

Одноцепочечные РНК м-РНК ( н.) - копия части молекулы ДНК, служит матрицей для синтеза белка. т-РНК (75 н.) – переносят а.к. к определенному участку м-РНК в ходе биосинтеза белка. р-РНК ( н.) – образуют в комплексе с белками рибосомы. гя-РНК – содержится в ядре клеток эукариот. РНК - у некоторых видов вирусов (ретровирусы) служит носителем генетической информации.

Структура т-РНК

Пространственная структура тРНК