Структура нуклеиновых кислот

Первичная структура -последовательность расположения мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК и РНК. Мономеры в молекулах нуклеиновых кислот соединены сложноэфирной связью, образованной фосфатным остатком одного мононуклеотида и 3’-гидроксильной группой пентозного остатка другого мононуклеотида (3’,5’-фосфодиэфирная связь) (рис. 11).

Рис. 11. Схема первичной структуры ДНК

Для изучения химического состава НК используют секвенирование – расщепление НК на фрагменты ферментами либо химическими реагентами и анализ продуктов при помощи электрофореза, хроматографии и др.

Вторичная структура. ДНК состоит из двух цепей, закрученных вокруг одной и той же оси, образующих правовращающую спираль. Внутри спирали находятся азотистые основания, снаружи - углеводные компоненты (рис. 12). Обе цепи в молекуле ДНК имеют противоположную полярность: межнуклеотидная связь в одной цепи имеет направление 5’®3’, в другой – 3’®5’.

Рис. 12. Вторичная структура ДНК

 

В молекуле ДНК основания уложены парами: пуриновые из одной цепи и пиримидиновые из другой. Взаимодействие пар А-Т и Г-Ц называют комплементарностью, а соответствующие азотистые основания – комплементарными (рис. 13). Цепи ДНК комплементарны друг другу. Стабильность
А-Т пар обеспечивается двумя водородными связями, а пар Г-Ц-тремя.

 

Рис. 13. Комплементарность цепей в ДНК

 

Между азотистыми основаниями, собранными в стопку вдоль молекулы ДНК, возникают силы гидрофобных взаимодействий (стэкинг-взаимодействия), которые вносят большой вклад в стабилизацию двойной спирали.

Конфигурация двойной спирали ДНК меняется от количественного содержания воды и ионной силы раствора. Существует более 10 форм ДНК. Методами рентгеноструктурного анализа изучено шесть: А-, В-, С-, D-, Е- и
Z-формы.

У А-формы пары комплементарных оснований смещены от оси молекулы к периферии, а в В-форме - близки к оси спирали. В А-форме ДНК является матрицей в транскрипции (синтез РНК на молекуле ДНК), в
В-форме - в репликации (синтез ДНК на молекуле ДНК). Параллельно фосфодиэфирному остову в структуре А- и В-форм ДНК имеются большая и малая бороздки – сайты присоединения белков.

Z-форма (зигзагообразная) имеет левозакрученную конфигурацию, в которой фосфатные группы располагаются зигзагообразно вдоль оси молекулы.

SBS-форма ДНК характеризуется отсутствием взаимозакручивания цепей в биспиральную молекулу, они располагаются бок о бок (side by side). Такая форма ДНК обеспечивает легкое распаривание и расхождение цепей, что очень важно при биосинтезе ДНК.

Молекулы РНК построены из одной полинуклеотидной цепи. В этой цепи есть комплементарные участки, которые образуют двойные спирали. При этом соединяются водородными связями пары А-У и Г-Ц. Спирализованные участки РНК (шпильки) содержат 20-30 нуклеотидных пар и чередуются с неспирализованными участками.

Для тРНК Р. Холли предложил модель клеверного листа - спирализация полинуклеотидной цепи самой на себя в строго фиксированных зонах. Особенности структуры тРНК имеют прямое отношение к процессу трансляции, поэтому более подробно они рассмотрены в разделе биосинтеза белка.

Вторичная структура рРНК и мРНК характеризуется спирализацией самой на себя.

Во вторичной структуре ДНК и РНК есть нуклеотидные последовательности, называемые палиндромами (перевернутые повторы), которые служат основой для образования структуры шпилек или для формирования на отдельных участках тройных спиралей.

Третичная структура нуклеиновых кислот: двойная спираль ДНК на некоторых участках может подвергаться дальнейшей спирализации с образованием суперспирали или открытой кольцевой формы. Нативные молекулы тРНК обладают третичной структурой, которая отличается от «листа клевера» компактностью за счет складывания различных частей молекулы.

В растянутом виде ДНК человека имеет около двух метров в длину, но в живой клетке упакована в структуру размером в доли миллиметра.

Нуклеиновые кислоты входят в состав нуклеопротеинов.

Существует два типа НП - дезоксирибонуклеопротеины (ДНП, содержат ДНК) и рибонуклеопротеины (РНП, содержат РНК). ДНП преимущественно находятся в ядре, а РНП - в цитоплазме. В состав НП входят гистоновые и негистоновые белки. Представители НП - рибосомы (комплексы рибосомных РНК с белками), ДНП-хроматин (комплекс ДНК с гистонами и негистоновыми белками).

Гистоны - сильно щелочные белки с невысокой молекулярной массой. Содержат большое количество лизина и аргинина. Пять классов гистонов различаются по размерам, аминокислотному составу и величине заряда. Они принимают участие в структурной организации хроматина, нейтрализуя за счет положительных зарядов аминокислотных остатков отрицательно заряженные фосфатные группы ДНК.

Природа негистоновых белков пока выяснена недостаточно. Их изоэлектрическая точка находится в кислой среде.

Для многих белков хроматина характерны особенности структуры, обеспечивающие их связывание с ДНК: «лейциновая застежка-«молния»; мотив «α-спираль – поворот – α-спираль», «цинковый палец».

В составе нуклеопротеинов НК имеет, как правило, более компактную структуру, чем в изолированном виде.

Контрольные вопросы

1. Дайте характеристику аминокислотам как структурным мономерам белков.

2. В чем состоят особенности образования пептидной связи?

3. Дайте определение первичной структуры белка. В чем состоит определяющая роль первичной структуры в формировании более высоких уровней организации белковой молекулы?

4. Укажите виды вторичной структуры белка. Какие связи стабилизируют вторичную структуру белка?

5. Что понимают под третичной структурой белка? Какие связи ее стабилизируют?

6. Охарактеризуйте четвертичную структуру белка. Что такое мономеры и олигомеры?

7. В чем состоит взаимосвязь структуры и функции белков?

8. Перечислите основные функции белков в организме.

9. Какие методы позволяют определить молекулярную массу белка?

10. Зависит ли растворимость белков от их аминокислотного состава?

11. Что понимают под денатурацией и ренатурацией белков? Какие агенты вызывают денатурацию?

12. Что такое изоэлектрическая точка белка?

13. Как используется процесс высаливания белков в медицине?

14. Перечислите функции альбуминов и глобулинов плазмы крови.

15. В чем состоят особенности строения и функция гистонов и протаминов?

16. Приведите примеры фибриллярных белков.

17. Приведите классификацию сложных белков.

18. Рассмотрите структуру и функции гемоглобина А.

19. Какие аллостерические формы и производные гемоглобина Вам известны?

20. Какие типы связей существуют между полипептидной цепью и простетической группой в молекулах липоротеинов, фосфопротеинов и гликопротеинов?

21. Простетическая группа каких сложных белков обеспечивает их повышенную устойчивость к воздействию внешних факторов?

22. Охарактеризуйте строение нуклеиновых кислот.

23. Какие белки входят в состав нуклеопротеинов?

24. Какие особенности структуры обеспечивают связывание полипептидной цепи и молекул нуклеиновых кислот в нуклеопротеинах?

25. Охарактеризуйте функции ДНП и РНП.

ФЕРМЕНТЫ

Ферменты или энзимы - вещества преимущественно белковой природы, обладающие каталитической активностью. Первоначально считали, что все ферменты являются белками. В начале 80-х годов XX в. были открыты низкомолекулярные рибонуклеиновые кислоты (рибозимы), спопобные выполнять каталитическую функцию. Термин «энзим» происходит от греч. en zyme - в дрожжах, «фермент» - от лат. fermentatio - брожение.

Энзимология – наука о ферментах.

Хотя уже осуществлен лабораторный синтез ряда ферментов (рибонуклеазы, лизоцима), единственный способ получения ферментов - из биологических объектов. Для выделения ферментов из клеточного содержимого необходимо тонкое измельчение, вплоть до разрушения субклеточных структур. Все операции проводят в условиях, исключающих денатурацию белка (использование защитных добавок, низкая температура).

Содержание ферментов в различных субклеточных структурах неодинаково, так, например, ферменты гликолиза сосредоточены преимущественно в цитоплазме, ферменты цикла Кребса - в митохондриях.