Вопрос 4. Строение и функции нуклеиновых кислот - ДНК и РНК

Нуклеиновые кислоты, как и белки, необходимы для жизни. Они представляют собой генетический материал всех живых организмов вплоть до самых простых вирусов. Название «нуклеиновые кислоты» отражает тот факт, что локализуются они главным образом в ядре (nucleus — ядро). При специфическом окрашивании на нуклеиновые кислоты ядра бывают очень хорошо видны в световом микроскопе.

Выяснение структуры ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) — одного из двух существующих типов нуклеиновых кислот — открыло новую эпоху в биологии, так как позволило, наконец, понять, каким образом живые организмы хранят информацию, необходимую для регулирования их жизнедеятельности и каким образом передают эту информацию своему потомству. Нуклеиновые кислоты состоят из мономерных единиц, называемых нуклеотидами. Из нуклеотидов строятся чрезвычайно длинные молекулы — полинуклеотиды. Чтобы понять структуру полинуклеотидов, необходимо ознакомиться с тем, как построены нуклеотиды.

Молекула нуклеотида состоит из трех частей — пятиуглеродного сахара, азотистого основания и фосфорной кислоты.

Сахар. Сахар, входящий в состав нуклеотида, содержит пять углеродных атомов, т. е. представляет собой пентозу. Различают два вида сахаров входящих в состав нуклеиновых кислот это рибоза и дезоксирибоза. РНК содержат рибозу, а ДНК дезоксирибозу.

Основания. В обоих типах нуклеиновых кислот содержатся основания четырех разных видов: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т) или урацил (У) (соответственно в ДНК или РНК.Основания принято обозначать первой буквой их названия: А, Г, Т, У и Ц.

Фосфорная кислота. Нуклеиновые кислоты являются кислотами потому, что в их молекуле содержится фосфорная кислота.

Роль нуклеотидов в организме не ограничивается тем, что они служат строительными блоками нуклеиновых кислот; некоторые важные коферменты также представляют собой нуклеотиды. Таковы, например, аденозинтрифосфат (АТФ), циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), коферментА, никотинамидадениндинуклеотид (НАД), никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ) и флавинадениндинуклеотид.

Два нуклеотида, соединяясь, образуют динуклеотид в результате реакции конденсации междуфосфатной группой одного нуклеотида и саха­ром другого. При синтезе полинуклеотидов этот процесс повторя­ется несколько миллионов раз. Таким путемстроится неразветвленный сахарофосфатный остов полинуклеотида.      

Нуклеиновые кислоты, подобно белкам, обладают первичной структурой (под которой подразу-мевается их нуклеотидная последовательность) и трехмерной структурой. Современную общепринятую теорию строения нуклеиновыхкислот разработали Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик (JamesWatson, FrancisCrick) в Кавендишской лаборатории Кембриджского. Используя все физические и химические данные, какие оказались в их распоряжении, Уотсон и Крик стали строить пространственные модели ДНК в надежде на то, что рано или поздно им удастся получить достаточно убедительную структуру, согласующуюся со всеми этими данными.

Уотсон и Крик задались целью проверить предположение, что молекула ДНК состоит из двух спиральных полинуклеотидных цепей, удерживаемых вместе благодаря спариванию оснований, принадлежащих соседним цепям. Основания этих цепей соединяются в пары с помощью водородных связей, Аденин спаривается с тимином, а гуанин — с цитозином; АТ-пара соединяется двумя водородными связями, а ГЦ-пара — тремя. Уотсон увидел, что при таком сочетании основания оказываются очень точно подогнанными друг к другу и что общий размер и форма двух этих пар оснований одинаковы. Водородные связи при других сочетаниях оснований в принципе возможны, но они гораздо слабее.

Строение молекулы ДНК

Уотсон и Крик показали, что ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей. Каждая цепь закручена в спираль вправо, и обе они свиты вместе, т. е. закручены вправо вокруг одной и той же оси, образуя двойную спираль. Цепи антипараллельны, т. е. направлены в противоположные стороны. Каждая цепь состоит из сахарофосфатногоостова, вдоль которого перпендикулярно длинной оси двойной спирали располагаются основания; находящиеся друг против друга основания двух противоположных цепей двойной спирали связаны между собой водородными связями. Вдоль оси молекулы соседние пары оснований располагаются на расстоянии 0,34 нм.одна от другой. Полный оборот спирали приходится на 3,4 нм, т. е. на 10 пар оснований. Никаких ограничений относительно последовательности нулеотидов в одной цепи не существует, но в силу правила спаривания оснований эта последовательность в одной цепи определяет собой последовательность нуклеотидов в другой цепи. Поэтому говорят, что две цепи двойной спирали комплементарны друг другу.

Уотсон и Крик опубликовали сообщение о своей модели ДНК в журнале «Nature» в 1953 г., а в 1962 г. они вместе с Морисом Уилкинсом были удостоены за эту работу Нобелевской премии

Когда Уотсон и Крик в 1953 г. заявили о спи­ральной структуре ДНК, они высказали также предположение, что генетическая информа­ция, которая передается из поколения в поко­ление и контролирует жизнедеятельностьклетки, заключена в молекуле ДНК в форме последовательности оснований. После того как было показано, что ДНК кодирует синтез белковых молекул, стало ясно, что последова­тельность оснований в ДНК должна кодиро­вать последовательность аминокислот в белко­вых молекулах. Эта связь между основаниями и аминокислотами известна под названием генетического кода. А элементарную единицу генетического кода определяющюю структурные, физиологи­ческие и биохимические признаки организма, было предложено назвать ген.

Ген было принято определять как наимень­ший участок хромосомы, обусловливающий синтез определенного продукта. Теперь мы знаем, что ге­ны кодируют синтез белков. Поэтому ген можно определить, как участок ДНК, кодирующий опре­деленный белок. Это определение можно еще больше уточнить, назвав ген участком ДНК, кодирующим определенный полипептид, посколь­ку некоторые белки состоят не из одной, а из нескольких полипептидных цепей, а поэтому кодируются более, чем одним геном

       Как говорилось выше молекула ДНК построена из оснований четы­рех типов: аденина (А), гуанина (Г), тимина (Т) и цитозина (Ц). Каждое основание со­ставляет часть нуклеотида, а нуклеотиды соеди­нены в полинуклеотидную цепь; они обознача­ются начальными буквами своих названий. И четыре буквы «алфавита» позволяют записы­вать инструкции для синтеза потенциально бес­конечного числа различных белковых молекул. Существуют 20 аминокислот, из которых построены белки и которые должны кодиро­ваться основаниями, входящими в состав ДНК. Если бы положение одной аминокислоты в первичной структуре какого-либо белка опре­деляло одно основание, то этот белок мог бы содержать только четыре различные аминокис­лоты. Если бы каждая аминокислота кодирова­лась двумя основаниями, то с помощью такого кода можно было бы определить 16 аминокис­лот.Включение в белковые молекулы всех 20 аминокислот может обеспечить только код, состоящий из трех оснований. Такой код может давать 64 сочетания оснований, что более чем достаточно. Поэтому Уотсон и Крик предсказа­ли, что код должен быть триплетным.

Структура РНК

РНК содержится во всех живых клетках в виде одноцепочечных молекул. Она отличается от ДНК тем, что содержит в качестве пентозы рибозу (вместо дезоксирибозы), а в качестве одного из пиримидиновых оснований — урацил (вместо тимина). Анализ РНК, содержащейся в клетках, показал, что существуют три типа РНК, участвующих в синтезе белковых молекул. Это матричная, или информационная, РНК (мРНК), транспортная РНК (тРНК) и рибосомная РНК (рРНК). Все три РНК синтезируются непосредственно на ДНК, а количество РНК в каждой клетке находится в прямой зависимости от количества вырабатываемого этой клеткой белка.

Матричная РНК

Как показали анализы, мРНК составляет 3—5% всей РНК клетки. Это одноцепочечная молекула, образующаяся на одной из цепей ДНК в процессе, называемом транскрипцией. При синтезе мРНКкопируется только одна цепь молекулы ДНК. Последовательность оснований в мРНК представляет собой комплементарную копию соответствующей цепи ДНК; длина ее варьирует в зависимости от длины полипептидной цепи, которую она кодирует. Большая часть мРНК находится в клетке лишь короткое время. У бактерий это может быть всего несколько минут, тогда как в развивающихся эритроцитах мРНК может служить матрицей для синтеза гемоглобина в течение нескольких дней.

Рибосомная РНК

Рибосомная РНК составляет примерно 80% всей РНК клетки. Она кодируется генами, находящимися в ДНК нескольких хромосом, расположенных в участке ядрышка, известном под названием ядрышкового организатора. Последовательность оснований в рРНК сходна у всех организмов — от бактерий до высших растений и животных.рРНК содержится в цитоплазме, где она связана с белковыми молекулами, образуя вместе с ними клеточные органеллы, называемые рибосомами.

На рибосомах происходит синтез белка. Здесь «код», заключенный в мРНК, транслируется в аминокислотную последовательность полипептидной цепи.

Транспортная РНК.

Существование транспортной РНК (тРНК) было постулировано Криком. У каждой аминокислоты имеется собственная семья молекул тРНК. Они доставляют содержащиеся в цитоплазме аминокислоты к рибосоме. Таким образом, тРНК служит промежуточной молекулой между триплетным кодом в мРНК и аминокислотной последовательностью полипептидной цепи. На долю тРНК приходится примерно 15% всей клеточной РНК; у этих РНК самая короткая полинуклеотидная цепь — в нее входит в среднем 80 нуклеотидов. В каждой отдельной клетке содержится более 20 различных молекул тРНК. Последовательность оснований в триплете антикодона строго соответствует той аминокислоте, которую переносит данная молекула тРНК. Каждая аминокислота присоединяется к одной из своих специфичных тРНК при участии фермента аминоацил-тРНК-синтетазы. В результате образуетсякомплекс аминокислота-тРНК, известный как аминоацил-тРНК, который способен образовывать связь между аминокислотами. Такимобразом синтезируется полипептидная цепь.

В результате установления взаимосвязи между ДНК и наследственными процессами, у живых организмов, возникла наука генетика. Ключевым понятием современной генетики является понятие «наследственность» - универсальное свойство живых организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями. Наследование (процесс) следует отличать от наследственности (свойства). Наследование - процесс передачи информации о признаках.

В основе наследования лежат процессы удвоения, распределения и объединения генетического материала, которыми во многом обусловливаются закономерности наследования.

Функционально неделимой элементарной единицей наследственности является ген. Полное описание структуры генов какого-либо организма подразумевает описание последовательности нуклеотидов в ДНК этого организма. Однако описание последовательности нуклеотидов в ДНК даже мельчайших вирусов составляет колоссальную проблему, практически неразрешимую для ДНК высших организмов. Геном кишечной палочки Escherichiacoli состоит примерно из 3,2x10⁶ нуклеотидных пар. Для каждой нуклеотидной пары существуют четыре возможности комбинации (АТ, ТА, ГЦ, ЦГ), поэтому число возможных нуклеотидных последовательностей в генотипе Е. coli составляет 4 ^3,2x106 В генотипе человека их намного больше.

Рибосомные РНК содержат 3000–5000 нуклеотидов; молекулярная масса — 1 000 000–1 500 000. На долю рРНК приходится 80–85% от общего содержания РНК в клетке. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы — органоиды, осуществляющие синтез белка. В эукариотических клетках синтез рРНК происходит в ядрышках. Функции рРНК: 1) необходимый структурный компонент рибосом и, таким образом, обеспечение функционирования рибосом; 2) обеспечение взаимодействия рибосомы и тРНК; 3) первоначальное связывание рибосомы и кодона-инициатора иРНК и определение рамки считывания, 4) формирование активного центра рибосомы.

Информационные РНК разнообразны по содержанию нуклеотидов и молекулярной массе (от 50 000 до 4 000 000). На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке. Функции иРНК: 1) перенос генетической информации от ДНК к рибосомам, 2) матрица для синтеза молекулы белка, 3) определение аминокислотной последовательности первичной структуры белковой молекулы.

 

Вопрос 5. Строение хромосом.

Хромосомы (термин «хромосома» предложил В. Вальдейер в 1888 году) представляют собой структуры клеточного ядра, которым свойственны способность к самовоспроизведению и сохранению индивидуальных черт строения (структурной и функциональной индивидуальности) в ряду поколений. Размещение генов в хромосомах влияет на соотносительное наследование информации о признаках.

Как показывает анализ хромосом эукариотиче­ских клеток, они состоят из дезоксирибонукле­иновой кислоты (ДНК) и белка, а также неболь­шого количества хромосомной РНК. («Хромо­сомы» прокариотических клеток — бактерий —состоят из одной ДНК.) Молекула ДНК несет отрицательные заряды, распределенные по всей ее длине, а присоединенные к ней белковые мо­лекулы — гистоны — заряжены положительно. Этот комплекс ДНК—белок называется хрома­тином.

Большое количество ДНК, содержащейся в клетках, сопряжено с проблемой упаковки. На­пример, одна клетка человека содержит пример­но 2,2 м ДНК, распределенной между 46 хромо­сомами. Каждая хромосома, таким образом, со­держит около 4,8 см (48 000 мкм) ДНК. Длина хромосом человека составляет в среднем 6 мкм, коэффициент упаковки 8000:1.  Такая концентрация достигается благодаря компактной упаковке нуклеиновой кислоты.

Выделяют следующие уровни компактизации ДНК.

1. Нуклеосомный уровень. Нуклеосома - это ДНК - гистоновый комплекс, который выглядит как частица дисковидной формы диаметром 11 нм. Впервые нуклеосомы были описаны в 1974г. А. Олинс и Д. Олинс. Каждая нуклеосома состоит из белкового кора или октамера и 2 оборотов фрагмента двухцепочечной ДНК.Нуклеосомы связываются участками ДНК (линкерная ДНК) свободными от контакта с белковым кором. Визуальноона представляет собой структуру, напоминающую бусы на нитке, где в качестве бусин выступают нуклеосомы, а в качестве нитки – цепь ДНК

Укладка линкерного участка ДНК (60-80 п.н.) и соединение нуклеосом друг с другом идут с помощью гистона Н1. Молекула этого белка имеет центральную (глобулярную) часть и вытянутые «плечи». Центральная часть прикрепляется к специфическому участку на поверхности кора, вытянутые «плечи» соединяют соседние нуклеосомы. При этом ДНК наматывается на соседние коры ка­ждый paз в противоположном направлении.Нуклеосомный уровень повышает плотность упаковки ДНК в 7-10 раз.

2. Нуклеомерный уровень. Дальнейшая компактизация ДНК в составе хроматина свя­зана с образованием нуклеосомных комплексов.Образуется компактная хроматиновая фибрилла построенная либо по типу соленоида (спиральный тип укладки), либо по нуклеомерному типу (4-12 нуклеосом образуют глобулу).Нуклеомерная укладка хроматина способствует укорочению нити ДНК примерно в 6 раз, а оба уровня приводят к компактизации ДНК в среднем в 50 раз.

3. Хромомерный уровень. Следующий этап компактизации ДНК связан с образованием петлеобразных структур, которые называются хромомерами. Средняя длина петли (300-400 нм.) сходна у различных организмов (дрозофила и человек) и включает примерно 50 тысяч оснований. Такую петельную структуру называют интерфазной хромонемой. Негистоновые белки образуют ось, или осевой скелет, – непрерывный тяж, к которому крепятся петли ДНП, имеющие форму хроматиновой фибриллы. На петельном уровне ДНК может достаточно легко освобождаться от упаковывающих ее белков, и на соответствующих участках становится возможной транскрипция (то есть синтез РНК).Укорочение фибриллы на этом уровне происходит в среднем 25 раз, а на всех 3 уровнях в 1000-1500 раз.

4. Хромонемный уровень. При делении клеток идет дальнейшаякомпактизация хро­мосом - образование более крупных петель из хромомерной фибриллы. Образуется путем конденсации (укладки) петельных фибрилл в отдельные участки – хромомерные (утолщенные) центры, которые у некоторых видов эукариот выглядят как узелки. При этом в самом конце интерфазы образуется серия динамических петель с большой толщиной (шириной). В итоге достигается еще более плотная упаковка хроматина, прежде всего цепи ДНК.На поверхности упакованные молекулы ДНК несут множество белков, которые образуют подобие чехла.

5. Хромосомный уровень. Даль­нейшаякомпактизация хромосом обеспечивается петельной укладкой хромонемной нити, что сокращает их длину примерно в 10 раз. На этом этапе происходит объединение петель имеющих одинаковую организацию, образуются блоки или минидиски. В образовании одного минидиска участвуют примерно около 20 петель. Таким образом, за счет нескольких уровней компактизации длина ДНК сокращается примерно в 10000 раз. Конденсация хромосом из деконденсированного состояния - это не спирализация, а очень сложный комплекс компактизации, связанный не только с изменением их линей­ных размеров, но и с регуляцией их работы в процессе жизне­деятельности клетки.

Кроме того, компактизация хромосомы - важнейший процесс, связанный с точной передачей наследственной ин­формации очередному поколению.

Метафазная хромосома (хромосомы изучаются в метафазу митоза) состоит из двух хроматид. Любая хромосома имеет первичную перетяжку (центромеру), которая делит хромосому на плечи.Центромера определяет движение хромосомы во время клеточного деления. Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку и спутник. Спутник — участок короткого плеча, отделяемый вторичной перетяжкой. Хромосомы, имеющие спутник, называются спутничными. Концы хромосом называются теломерами. В зависимости от положения центромеры выделяют: а) метацентрические (равноплечие), б) субметацентрические (умеренно неравноплечие), в) акроцентрические (резко неравноплечие) хромосомы.

Соматические клетки содержат диплоидный (двойной — 2n) набор хромосом, половые клетки — гаплоидный (одинарный — n). Диплоидный набор аскариды равен 2, дрозофилы — 8, шимпанзе — 48, речного рака — 196. Хромосомы диплоидного набора разбиваются на пары; хромосомы одной пары имеют одинаковое строение, размеры, набор генов и называются гомологичными.

Кариотип — совокупность сведений о числе, размерах и строении метафазных хромосом. У представителей разных видов кариотипы разные, одного вида — одинаковые. Аутосомы — хромосомы, одинаковые для мужского и женского кариотипов. Половые хромосомы — хромосомы, по которым мужской кариотип отличается от женского.