Нуклеиновые кислоты. Строение ДНК. Аутосинтетическая функция – репликация ДНК, гетеросинтетическая – синтез белка. Правила Чаргаффа

Известны два вида нуклеиновых кислот: ДНК и РНК.

ДНК эукариот находится в ядре в виде хроматина, а также в митохондриях, центриолях и пластидах, а РНК – в ядрышках, матриксе цитоплазмы и рибосомах.

Носителем наследственной информации является ДНК, а РНК служит для передачи и реализации генетической информации у про- и эукариот. С помощью и-РНК происходит процесс перевода последовательности нуклеотидов ДНК в последовательность аминокислот полипептида.

У некоторых организмов носителем наследственной информации может быть РНК, например, у вирусов табачной мозаики, полиомиелита, ВИЧ.

Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Установлено, что в хромосомах эукариот гигантская двуспиральная молекула ДНК образована 4 типами нуклеотидов: адениловый, гуаниловый, тимидиловый, цитидиловый. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания – пуринового (Г, А) или пиримидинового (Ц, Т), дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты.

Анализируя ДНК разного происхождения, Э. Чаргафф с коллегами в сороковых годах ХХ века определили закономерности количественного соотношения азотистых оснований, которые впоследствии получили название правил Чаргаффа:

а) количество аденина равно количеству тимина (А=Т);

б) количество гуанина равно количеству цитозина (Г=Ц);

в) количество пуринов равно количеству пиримидинов (Г+А = Ц+Т);

г) количество оснований с 6-аминогруппами равно количеству оснований с 6-кетогруппами (А+Ц = Г+Т).

В то же время соотношение оснований А+Т/Г+Ц является строго видоспецифичным коэффициентом и составляет для человека – 0,66; мыши – 0,81; бактерии – 0,41.

В 1953 году биологом Дж.Уотсоном и физиком Ф.Криком была предложена пространственная молекулярная модель ДНК. Основные постулаты модели заключаются в следующем:

1. Каждая молекула ДНК состоит из двух длинных антипараллельных полинуклеотидных цепей, образующих двойную спираль, закрученную вокруг центральной оси (правозакрученная – В-форма, левозакрученная – Z-форма, обнаруженная А. Ричем в конце 70-х годов).

2. Каждый нуклеозид (пентоза + азотистое основание) расположен в плоскости, перпендикулярной оси спирали.

3. Две полинуклеотидные цепи скреплены водородными связями, образующимися между азотистыми основаниями.

4. Спаривание азотистых оснований строго специфично, пуриновые основания соединяются только с пиримидиновыми: А-Т, Г-Ц.

5. Последовательность оснований одной цепи может значительно варьировать, но азотистые основания другой цепи должны быть строго комплементарны им.

Полинуклеотидные цепи образуются за счет ковалентных связей между соседними нуклеотидами через остаток фосфорной кислоты, который соединяет углерод в пятом положении дезоксирибозы с третьим углеродом соседнего нуклеотида. Цепи разнонаправлены. Если начало одной цепи – 3'-ОН (в третьем положении углерода дезоксирибозы присоединяется гидроксильная группа ОН), то конец цепи – 5'-Ф (к пятому углероду дезоксирибозы присоединяется остаток фосфорной кислоты). Вторая цепь имеет направленность 5'-Ф 3'-ОН, соответственно.

Аутосинтетической функцией ДНК является репликация – авторепродукция. Репликация основана на принципах полуконсервативности, антипараллельности, комплементарности и прерывистости. Наследственная информация ДНК передается в результате репликации по типу матричного синтеза. Он протекает по стадиям: инициация, элонгация и терминация. Процесс приурочен к S-периоду интерфазы. Фермент ДНК-полимераза, используя в качестве матрицы одноцепочечную ДНК, в присутствии нуклеотидов и затравки РНК, строит вторую цепь ДНК.

Синтез ДНК осуществляется по принципу комплементарности. Между нуклеотидами цепи ДНК образуется фосфодиэфирные связи за счет соединений 3^'ОН группы самого последнего нуклеотида с 5^'-фосфатом следующего нуклеотида, который должен присоединиться к цепи.

Изначально были предложены три альтернативные модели репликации ДНК: консервативный, полуконсервативный, дисперсный. Однако, только полуконсервативный был доказан экспериментально.

Консервативный – предполагает сохранность целостности исходной двуцепочечной молекулы и синтез дочерней двуцепочной. Половина дочерних молекул построена полностью из нового материала, а половина – из старого материнского.

Полуконсервативный – Синтез ДНК начинается с присоединения к точке начала репликации фермента хеликазы, который расплетает участки ДНК. К каждой из цепей присоединяется ДНК связывающей белок, препятствующей их соединению. Единицей репликации является репликон – это участок ДНК между точками начала и окончания репликации. Взаимодействие ферментов с точкой начала репликации называется инициацией. Эта точка движется вдоль цепи ДНК и образуется репликативная вилка. У эукариот работает сразу тысячи репликативных вилок.

У прокариот инициация происходит в одной точке кольца ДНК, при этом две репликативные вилки двигаются в 2-х направлениях. В месте их встречи двуцепочечные молекулы ДНК разъединяются.

Синтез новой цепи идет непрерывно на одной из матриц ДНК (3^'→5^') и прерывисто – на другой (5^'→3^') с образованием фрагментов (фрагменты Оказаки) длиной 1000-2000 нуклеотидных остатков у прокариот или 100-200 нуклеотидов у эукариот, которые затем сшиваются ферментом ДНК-лигазой. Имеется точка начала и конца репликации. Репликон движется вдоль молекулы ДНК и расплетаются ее новые участки. Каждая из материнских цепей является матрицей для дочерней, которая синтезируется по принципу комплементарности. При достижении определенной длины молекулы синтез прекращается – терминация (затравка РНК разрушается, а на ее место добавляется ДНК).

Дисперсный – распад ДНК на нуклеотидные фрагменты. Новая двуцепочечная ДНК состоит из спонтанно набранных новых и родительских фрагментов.

ДНК обладает свойством репарации – способностью к восстановлению нарушенной структуры вследствие мутации. В основе этого процесса лежит строение молекулы (двойная полинуклеотидная спираль). Восстановление участков, поврежденных мутациями, происходит по принципу комплементарности.

Генетическая информация, содержащаяся в ДНК, передается на рибосомы через и-РНК. Участок ДНК, содержащий информацию о структуре полипептидной цепи, называется гéном. У эукариот списывание наследственной информации с генов регулируется гистоновыми белками. Начало списывания информации связано с освобождением определенного участка ДНК (гена) от гистонов с помощью негистоновых белков, способных узнавать определенные гены.