Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты

Вопрос 26. Какие соединения являются мономерами нуклеиновых кислот?

Ответ. Нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды) – это биологические полимеры, мономерными звеньями которых являются нуклеотиды.

Нуклеотид – это не индивидуальное соединение, он состоит из нуклеозида и остатка фосфорной кислоты.  

Нуклеозид тоже не является индивидуальным соединением, а образуется при взаимодействии углевода (рибозы или дезоксирибозы) и гетероциклического основания.

Вопрос 27. В какой форме углеводы входят в состав нуклеиновых кислот?

Ответ. В состав молекул РНК входит рибоза в циклической  фуранозной форме – b-D-рибофураноза, молекулы ДНК содержат 2-дезоксирибозу так же в фуранозной форме – 2-дезокси-b-D-рибофуранозу.

 

Вопрос 28. Какие гетероциклические основания могут входить в состав нуклеиновых кислот?

Ответ. Нуклеиновые основания – это производные азотсодержащих гетероциклических соединений – пурина (аденин и гуанин) пиримидина: тимин (только в ДНК), урацил (только в РНК) и цитозин:

 

 

Вопрос 29. В чём состоит различие структур ДНК и РНК?

Ответ. ДНК и РНК отличаются типом углеводного компонента (в состав РНК входит b-D-рибофураноза, в состав ДНК 2-дезокси-b-D-рибофураноза) и составом пиридиновых оснований (в состав РНК входят урацил и цитозин, в состав ДНК – тимин и цитозин). Кроме того, ДНК существует в форме двойной спирали, состоящей из двух отдельных молекул. Молекулы РНК, в среднем, гораздо короче и преимущественно одноцепочечные.

Вопрос 30. Как определить тип связи между отдельными соединениями и фрагментами, входящими в состав нуклеиновых кислот?

Ответ. Нуклеиновые кислоты представляют собой длинные цепи мономеров – нуклеотидов. Нуклеотид – это сложное соединение, состоящее из нуклеозида и связанного с ним остатка фосфорной кислоты. Нуклеозид, в свою очередь, образуется по реакции между углеводом (рибозой или дезоксирибозой) и гетероциклическим основанием. При этом в реакцию вступает группа –NН– гетероциклического основания и полуацетальный гидроксил углевода. В результате образуется N-гликозидная связь:

 

 

Поскольку углевод в нуклеиновых кислотах присутствует в b-D-фуранозной форме, связь называется b-N-гликозидной. Этот тип связи образуют как пиримидиновые, так и пуриновые гетероциклические основания.

Далее спиртовая гидроксильная группа углевода нуклеозида в положении 5’ или 3’ должна прореагировать с фосфорной кислотой по реакции этерификации. При этом образуется сложный эфир, следовательно, связь можно назвать сложноэфирной. Поскольку в образовании сложного эфира участвует фосфорная кислота, ещё одно название связи – фосфоэфирная.

При соединении нуклеотидов между собой ещё раз протекает реакция этерификации между остатком фосфорной кислоты нуклеотида и спиртовой гидроксильной группой углевода в положении 5’ или 3’. Можно сказать, что нуклеотиды связаны между собой 3’,5’-сложноэфирной или фосфодиэфирной связью.

При образовании вторичной структуры (двойной спирали) ДНК между комплементарными гетероциклическими основаниями образуются водородные связи, обеспечивающие существование спиралевидной структуры молекулы.

Вопрос 31. Что такоепервичная структура нуклеиновых кислот?

Ответ. Первичная структура нуклеиновых кислот – нуклеотидный состав и нуклеотидная последовательность, т.е. порядок чередования нуклеотидных звеньев в молекуле нуклеиновой кислоты. Устанавливают нуклеотидный состав, исследуя продукты гидролитического расщепления нуклеиновых кислот.

РНК легко гидролизуются в мягких условиях в щелочной среде до нуклеотидов, которые в свою очередь способны в щелочной среде отщеплять остаток фосфорной кислоты с образованием нуклеозидов. Нуклеозиды в кислой среде гидролизуются до гетероциклических оснований и углеводов.

Химический гидролиз ДНК почти не применяют из-за осложнения его побочными процессами. Более предпочтителен ферментативный гидролиз под действием нуклеаз.

Вопрос 32. Что такоевторичная структура ДНК?

Ответ. Вторичная структура ДНК – это пространственная организация полинуклеотидной цепи. Её модель была предложена в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком. Согласно этой модели, молекула ДНК имеет форму правозакрученной спирали, образованную двумя полинуклеотидными цепями, закрученными относительно друг друга и вокруг общей оси. Модель ДНК представлена на рисунке 4. Видно, что расстояние между витками (шаг спирали) равно 3,4 нм. На этом участке укладываются 10 нуклеотидных остатков, размер одного нуклеотида составляет 0,34 нм; диаметр биспиральной молекулы равен 1,8 нм.

 

Рисунок 4. Схематическое изображение двойной спирали ДНК:

а – по Уотсону и Крику (с – остаток дезоксирибозы, р – остаток форсорной кислоты); б – А-форма ДНК; в – В-форма ДНК

 

Конфигурация двойной спирали ДНК меняется в зависимости от количественного содержания воды и ионной силы раствора. Доказано существование по крайней мере 6 форм ДНК, названных А-, В-, С-, D-, Е- и Z-формами. Конфигурация двух из них в простейшей форме представлена на рис. 4. У А-формы наблюдается некоторое смещение пар оснований от оси молекулы к периферии, что отражается на размерах (2,8 нм – длина одного витка, в котором вместо 10 содержится 11 мононуклеотидов; меняется расстояние между нуклеотидами и др.). Если А- и В-формы представляют собой правозакрученную двойную спираль, то Z-форма (зигзагообразная) ДНК имеет левозакрученную конфигурацию, в которой фосфодиэфирный остов располагается зигзагообразно вдоль оси молекулы. Предполагают, что в А-форме ДНК выполняет роль матрицы в процессе транскрипции (синтез РНК на молекуле ДНК), а в В-форме – роль матрицы в процессе репликации (синтез ДНК на молекуле ДНК).

Остатки нуклеиновых оснований направлены внутрь спирали. Для обеспечения наибольшей устойчивости этой структуры между азотистыми основаниями образуются водородные связи, их должно быть максимально много. Это достигается определенным соответствием в расположении остатков оснований одной спирали по отношению к остаткам другой: тиминовые группы одной спирали располагаются напротив адениновых групп другой спирали (между ними образуются две водородные связи), цитозиновые – напротив гуаниновых (между ними образуются три водородные связи). Эти основания составляют комплементарные пары. Водородные связи образуются между аминогруппой одного основания и карбонильной группой другого, между амидным и иминным атомами азота.

 

Вопрос 33. Что такоетретичная структура ДНК?

Ответ. В клетках ДНК образует суперспирали, что обеспечивает компактность ее упаковки. ДНК длиной до 4 см располагается в хромосоме размером до 5 нм. Длина ДНК уменьшается в 100 тысяч раз. Третичная структура ДНК эукариот формируется путем взаимодействия с ядерными белками и на определенном этапе клеточного цикла приобретает форму хромосом (рис.5).

 

Рисунок 5. Схема образования третичной структуры ДНК.

 

Вопрос 34. Что такоевторичная структура РНК?

Ответ. В отличие от ДНК, молекула рибонуклеиновой кислоты построена из одной полинуклеотидной цепи. Отдельные участки цепи РНК образуют спирализованные петли – «шпильки», за счёт водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями аденин-урацил и гуанин-цитозин (рис. 6). Участки цепи РНК в таких спиральных структурах антипараллельны, но не всегда полностью комплементарны, в них встречаются неспаренные нуклеотидные остатки или даже одноцепочечные петли, не вписывающиеся в двойную спираль. Наличие спирализованных участков характерно для всех типов РНК.

 

 

 

 

Рисунок 6. Схема образования вторичной структуры РНК:

а – схема образования связей между комплементарными основаниями; б – схема транспортной РНК.

Транспортные РНК содержат четыре спирализованных участка и три (иногда четыре) одноцепочечные петли. При изображении такой структуры на плоскости получается фигура, называемая «клеверным листом».

 

Вопрос 35. Что такоетретичная структура РНК?

Ответ. Одноцепочечные РНК характеризуются компактной и упорядоченной третичной структурой, возникающей путём взаимодействия спирализованных элементов вторичной структуры. Так, возможно образование дополнительных водородных связей между нуклеотидными остатками, достаточно удалёнными друг от друга, или связей между ОН-группами остатков рибозы и основаниями. Третичная структура РНК стабилизирована ионами двухвалентных металлов, например Mg²⁺, связывающимися не только с фосфатными группами, но и с основаниями.

 

Вопрос 36. Какое основание комплементарно тимину? Приведите строение этой комплементарной пары и обозначьте водородные связи.

Ответ. Комплементарным тимину основанием является аденин. Между ними образуются две водородные связи.

 

 

Вопрос 37. Какое основание комплементарно по отношению к цитозину? Приведите строение этой комплементарной пары и обозначьте водородные связи.

Ответ. Комплементарным цитозину основанием является аденин. Между ними образуются три водородные связи.

 

 

Вопрос 38. Фрагмент какого биополимера представлен на рис. 7? Какая структура полимера изображена (первичная, вторичная)? Есть ли ошибки в изображении данного фрагмента? Какова роль данного биополимера в организме? Ответ. Для того, чтобы определить, какой биополимер представлен на рисунке, надо внимательно рассмотреть его строение. На рисунке мы видим фрагмент нуклеиновой кислоты, состоящий из трёх нуклеотидов.

Рисунок 7. Схема биополимера

Углеводный компонент здесь – рибоза, т.к. в положении 2’присутствует гидроксильная группа. Следовательно, на рисунке представлен фрагмент РНК. Представлена первичная структура (последовательность нуклеотидов в цепи нуклеиновой кислоты). Но верхний нуклеотид содержит в своём составе гетероциклическое основание тимин, и не урацил (присутствует группа –СН₃). Следовательно, в изображении фрагмента РНК присутствует ошибка.

 

Существуют разные типы РНК, различающиеся по величине молекул, структуре, расположению в клетке и роли в организме. Низкомолекулярные транспортные РНК (тРНК) составляют примерно 10% от всей клеточной РНК. При реализации генетической информации каждая тРНК присоединяет и переносит определенную аминокислоту к рибосомам – месту синтеза белка. Рибосомные РНК (рРНК) составляют до 85% всей РНК клетки. Они входят в состав рибосом и выполняют структурную функцию. Кроме того, рРНК участвуют в формировании активного центра рибосомы, где происходит образование пептидных связей между молекулами аминокислот в процессе трансляции (биосинтеза белка). Информационные, или матричные РНК (иРНК) программируют синтез белков клетки, осуществляя непосредственную передачу кода ДНК к месту синтеза белков.

Однако функции РНК в современных клетках не ограничиваются их ролью в трансляции. Так, малые ядерные РНК принимают участие в сплайсинге эукариотических матричных РНК и других процессах.

Помимо того, что молекулы РНК входят в состав некоторых ферментов (например, теломеразы), у отдельных РНК обнаружена собственная ферментативная активность: способность вносить разрывы в другие молекулы РНК или, наоборот, «склеивать» два РНК-фрагмента. Такие РНК называются рибозимами.

Геномы ряда вирусов состоят из РНК, то есть у них она играет роль, которую у высших организмов выполняет ДНК. На основании разнообразия функций РНК в клетке была выдвинута гипотеза, согласно которой РНК – первая молекула, которая была способна к самовоспроизведению в добиологических системах.

Вопрос 39. Фрагмент какого биополимера представлен на рис. 8? Какая структура полимера изображена (первичная, вторичная)? Есть ли ошибки в изображении данного фрагмента? Какова роль данного биополимера в организме? Ответ. Для того, чтобы определить, какой биополимер представлен на рисунке, надо внимательно рассмотреть его строение. На рисунке мы видим фрагмент нуклеиновой кислоты, состоящий из трёх нуклеотидов.

Рисунок 8. Схема биополимера

Углеводный компонент здесь – дезоксирибоза, т.к. в положении 2’отсутствует гидроксильная группа. Следовательно, на рисунке представлен фрагмент ДНК. Представлена первичная структура (последовательность нуклеотидов в цепи нуклеиновой кислоты). Верхний нуклеотид содержит в своём составе гетероциклическое основание тимин (присутствует группа –СН₃). Следовательно, в изображении фрагмента ДНК нет ошибок.

Функция ДНК в клетке – хранение наследственной информации. Функциональной единицей является ген. Ген – определенная последовательность нуклеотидов (500…2000 нуклеотидных единиц) с помощью которых закодирован определенный признак (морфогенез, старение, устойчивость к антибиотикам, половая дифференциация, цвет кожи, глаз).

Структурный ген – закодированный признак. Для его функционирования необходимо 2 регуляторных гена: ген-регулятор и ген-оператор (они могут быть рядом, могут быть удалены). Ген - оператор, ген-регулятор и структурный ген вместе составляют оперон. Оперон – функциональная надструктура генетического аппарата. Сколько признаков, сколько оперонов, например, к структурным генам относится гены, ответственные за синтез белка и если белков – 5 миллионов, то и оперонов – 5 миллионов.

Вопрос 40. Какие видыРНК существуют?

Ответ. Существует несколько видов РНК.

Рибосомные РНК (рРНК) входят в состав рибосом, являются их структурной основой. Целостность их молекул необходима для биосинтеза белков на рибосомах.

Биологическая роль транспортных РНК (тРНК) заключается в присоединении активированных аминокислотных остатков и переносе (транспорте) их на рибосомы, т. е. к месту синтеза полипептидных цепочек.

Информационные, или матричные, РНК (иРНК, мРНК) играют роль матриц при биосинтезе белков в процессе трансляции (считывания нуклеотидного кода и перевода его в последовательность аминокислот в полипептидных цепях белков).

Обсуждается целесообразность выделения в отдельные категории ещё нескольких видов РНК: низкомолекулярных (малых) ядерных, антисмысловых, вирусных.

Малые ядерные РНК (мяРНК) – класс РНК, которые встречаются в ядре эукариотических клеток. Они участвуют в важных процессах, таких как сплайсинг (удаление интронов из незрелой мРНК), регуляции факторов транскрипции или РНК-полимеразы и поддержании целостности теломер.

Антисмысловые РНК – это одноцепочечные РНК, которые комплементарны мРНК. Антисмысловые РНК вводят в клетки для ингибирования трансляции комплементарных мРНК за счет того, что антисмысловые РНК спариваются с мРНК-мишенью и физически препятствуют формированию трансляционного комплекса. Данный эффект поэтому является стехиометрическим.

Вирусные РНК являются составными частями вирусных и фаговых рибонуклеопротеинов, несут всю информацию, необходимую для размножения вируса в клетках хозяина.