Курсовая работа: Биологическая функция нуклеиновых кислот

В настоящее время описаны три формы структуры ДНК: А-, В- и Z-формы (рис.4). Параметры модели Уотсона—Крика соответствуют конформации ДНК в физиологических условиях (В-форме ДНК). Однако при изменении условий среды двойная спираль может принимать другие формы. Так при уменьшении влажности (в препарате образца для рентгеноструктурного анализа) ДНК переходит в А-форму. Этот переход связан с изменением конформации в остатках дезоксирибозы, уменьшением расстояния между фосфатными группами сахарофосфатного остова. Расстояние между парами нуклеотидов вдоль оси спирали, равное 0,34 нм в уотсон-криковской модели, уменьшается (примерно до 0,25 нм при 11 нуклеотидных остатках на один виток спирали). Диаметр спирали увеличивается; изменяются ширина и глубина бороздок; комплементарные пары азотистых оснований образуют с осью спирали угол 20° и, главное, они смещаются к периферии спирали. Поэтому двойная спираль похожа на пологую винтовую лестницу и внутри нее возникает полость диаметром 0,40 нм.

Переход молекулы ДНК из В- в А-форму можно осуществить при понижении активности воды в растворе (при внесении в него органического растворителя, например, этанола). Существует мнение, что В-форма представляет собой некую промежуточную форму двух или большего числа конформаций. Одной из особенностей В-формы, называемой В'-формой, является способность менять в молекуле ДНК положение двух цепей на обратное. Более того, В-форма может существовать в виде как правой, так и левой спирали.

Хотя более стабильными в А- и В-формах являются правозакрученные спирали, существуют довольно устойчивые и левозакрученные спирали ДНК. Одна из таких спиралей была получена в 1979 г. А. Ричем. Из-за нерегулярного зигзагообразного изгиба cахарофосфатного остова она была названа Z-формой (рис.4). Повторяющаяся единица в Z-форме ДНК включает две пары нуклеотидов, а не одну, как в В- и А-формах. Вследствие этого линия, соединяющая фосфатные группы, через каждые две пары нуклеотидов имеет излом и принимает зигзагообразный вид. По сравнению с В-формой в левой Z-форме резко изменен характер стэкинга оснований: сильные и слабые межплоскостные взаимодействия также чередуются. Z-форма может переходить в В-форму при снижении ионной силы раствора, добавлении этанола. Однако вопрос о существовании Z-формы ДНК invivo и ее биологической роли до конца не выяснен. Высказывается мнение, что переход правозакрученной формы в левозакрученную может служить регуляторным сигналом, контролирующим экспрессию генов.

Рис.4. B- и Z-формы структуры ДНК

1.4. Физико-химические свойства ДНК

ДНК — довольно сильная многоосновная кислота, полностью ионизированная при рН 4,0. Фосфатные группы расположены по периферии. Они прочно связывают ионы Са и Мg, амины, гистоны — положительно заряженные белки. Устойчивость комплементарных пар оснований зависит от величины рН. Пары оснований наиболее устойчивы в интервале рН 4,0—11,0. За его пределами двухцепочечная спираль ДНК теряет устойчивость и раскручивается.

Молекулярная масса ДНК неодинакова и зависит от источника ее получения. К тому же даже при самых тщательных и щадящих процедурах выделения ДНК подвергается некоторой деградации. Препараты, полученные современными методами из тканей животных и растений, имеют молекулярную массу 6 10—10 10. Однако истинная молекулярная масса ДНК животных и растений, определенная по вязкости и по длине молекул, значительно выше и достигает десятков миллиардов.

У большинства вирусов ДНК представляет собой двойную спираль, линейную или замкнутую в кольцо. У некоторых вирусов она представляет собой одну полинуклеотидную цепь, замкнутую в кольцо и имеющую сравнительно небольшую молекулярную массу — 2 10. ДНК сравнительно легко деполимеризуется под действием некоторых химических соединений, ультразвука, ионизирующей и ультрафиолетовой радиации. Нагревание растворов ДНК до температур 70—80 °С, а также их подщелачивание вызывают денатурацию ДНК, заключающуюся в плавлении двойной спирали (разрушение водородных связей и гидрофобных взаимодействий), и расхождение полинуклеотидных цепей. Денатурация сопровождается понижением вязкости раствора, повышением поглощения в ультрафиолетовой области, увеличением отрицательного удельного вращения плоскости поляризации света, увеличением плавучей плотности образцов ДНК. Возрастание светопоглощения света при 260 нм называется гипохромным эффектом; это важнейший критерий денатурации ДНК, по которому можно контролировать этот процесс.

В отличие от многих глобулярных белков, денатурация которых происходит постепенно в широком температурном интервале, нативные ДНК денатурируют в узком интервале температур (~10 °С), поэтому тепловую денатурацию часто называют плавлением. Температура плавления тем выше, чем больше в молекуле ДНК GС-пар; этот показатель может использоваться для определения нуклеотидного состава ДНК. Установлено, что температура плавления линейно связана с составом ДНК: ее повышение на 1° соответствует 2,5 молярных % GС-пар. Гомогенные препараты ДНК характеризуются плавлением с резким переходом спираль—клубок, тогда как гетерогенные препараты дают сравнительно широкую зону плавления, что может служить мерой гетерогенности ДНК. При быстром охлаждении после тепловой денатурации ДНК не восстанавливает своих нативных свойств; однако, при медленном охлаждении полинуклеотидные цепи реассициируются по принципу комплементарности, т.е. происходит ренатурация молекул ДНК. Это продемонстрировано, в частности, на препаратах ДНК пневмококка с помощью методов электронной микроскопии и градиентного ультрацентрифугирования в СsСl.

1.5. Биологические функции ДНК

Важнейшая биологическая функция ДНК — генетическая, т.е. хранение и передача наследуемых признаков. В 1943 г. О. Т. Эвери,

К. Мак-Леод и М. Мак-Карти из Рокфеллеровского института обнаружили это впервые. Они экспериментально установили, что невирулентный штамм бактерии Pneumococcus может превратиться в вирулентный простым добавлением ДНК, выделенной из вирулентных пневмококков. Исследователи заключили, что ДНК может содержать генетическую информацию. Работа О. Т. Эвери и его сотрудников признана выдающейся, представляющей собой важную историческую веху в исследовании генетической функции ДНК. Сейчас многочисленными экспериментами установлено, что ДНК — основной компонент клеточных органелл-хромосом. Трансформирующаяся ДНК включается ковалентно в ДНК невирулентной клетки (клетки-реципиента) и, таким образом, реплицируется вместе с хромосомой реципиента; свойство вирулентности наследуется. В то же время возможность передачи генетической информации бактериальным клеткам в результате введения РНК или белка не получила экспериментального подтверждения.

На вопрос, почему наследуемые признаки копируются с удивительной точностью, дает ответ принцип комплементарности. Модель ДНК, разработанная Уотсоном и Криком, четко объясняет механизм передачи информации. В связи с тем, что последовательность азотистых оснований одной цепи однозначно определяет последовательность оснований в другой цепи, репликация ДНК в клетке происходит в результате расхождения двух полинуклеотидных цепей и последующего синтеза двух новых (дочерних) цепей на старых (родительских) цепях как на матрицах. В результате образуются две дочерние двухцепочечные молекулы ДНК, идентичные родительской молекуле ДНК, содержащие по одной цепи из родительской молекулы. Такой механизм репликации был назван полуконсервативным. Он получил блестящее подтверждение в экспериментах с клетками E.coli и меченым азотом N, проведенных М. Мезелсоном и Ф. Сталем в 1957 г. Полученные ими результаты точно согласуются с полуконсервативным механизмом редупликации макромолекул ДНК.

1.6. Структура и физико-химические свойства РНК

Рибонуклеиновые кислоты (РНК) — однонитевые молекулы, поэтому в отличие от ДНК их вторичная и третичная структуры нерегулярны. Нуклеотидная цепь РНК обладает гибкой структурой, ее длина в зависимости от вида РНК может варьировать в очень широких пределах — от нескольких десятков до десятков тысяч нуклеотидных остатков; молекулярная масса РНК находится в пределах 10—10.

Последовательность нуклеотидных звеньев, соединенных фосфодиэфирной связью в неразветвленную полинуклеотидную цепь, представляет собой первичную структуру РНК. Вторичная и третичная структуры РНК, определяемые как пространственная конформация полинуклеотидной цепи, формируются в основном за счет водородных связей и гидрофобных взаимодействий между азотистыми основаниями. Если для молекулы нативной ДНК характерна устойчивая спираль, то структура РНК более многообразна и лабильна. Рентгеноструктурный анализ показал, что отдельные участки полинуклеотидной цепи РНК, перегибаясь, навиваются сами на себя с образованием внутриспиральных структур. Стабилизация структур достигается за счет комплементарных спариваний азотистых оснований антипараллельных участков цепи; специфическими парами здесь являются А - U, G - С и, реже, G – U.

Образование спиральных структур сопровождается гипохромным эффектом — уменьшением оптической плотности образцов РНК при 260 нм. Разрушение этих структур происходит при понижении ионной силы раствора РНК или при его нагревании до 60—70 °С; оно также называется плавлением и объясняется структурным переходом спираль — хаотический клубок, что сопровождается увеличением оптической плотности раствора нуклеиновой кислоты.

Хотя РНК относится к однониточным полинуклеотидам, вместе с тем в ее цепях имеются участки различной длины, состоящие из комплементарных друг другу нуклеотидных последовательностей, включающих от десятков до тысяч нуклеотидных остатков, расположенных на небольшом удалении друг от друга. Благодаря этому в молекуле РНК возникают как короткие, так и протяженные биспиральные участки, принадлежащие одной цепи; эти участки носят название шпилек. Модель вторичной структуры РНК со шпилькообразными элементами была создана в конце 50-х — начале 60-х гг. XX в. в лабораториях А. С. Спирина (Россия) и П. Доти (США).

полинуклеотид нуклеозидфосфат тонкослойный хроматография

1.7. Типы РНК и их биологические функции

Клетки содержат три основных типа РНК: рибосомную — рРНК, транспортную — тРНК и матричную (информационную) — мРНК. Каждая из этих РНК выполняет специфическую роль в сложном процессе биосинтеза белка, при котором последовательность аминокислот однозначно определяется нуклеотидной последовательностью ДНК.

В эукариотических клетках существуют также малые ядерные РНК (мяРНК), являющиеся участниками процессинга РНК, и гетерогенные ядерные РНК (гяРНК), представляющие собой предшественников мРНК. Кроме того, обнаружена так называемая антисмысловая РНК, участвующая в регуляции процесса репликации ДНК.

В процессе транскрипции нуклеотидная последовательность локуса (место в хромосоме, где находится ген) в ДНК копируется в молекулу РНК. Транскрибируются три вида генов. Транскрипты генов рРНК используются в синтезе рибосом, нуклеотидная последовательность мРНК переписывается в последовательность аминокислот при синтезе полипептида на рибосоме, а транскрипты генов тРНК связываются с аминокислотами, которые затем переносятся в рибосомный синтезирующий центр в последовательности, зашифрованной в мРНК; этот процесс называется трансляцией.

Рибосомная РНК. Она входит в состав клеточных органелл —

рибосом. Биохимическая функция рРНК пока до конца не изучена. Предполагается, что она выполняет роль молекулярного каркаса, на котором крепятся участники процесса трансляции; рРНК имеет большую молекулярную массу (до 2 10), характеризуется метаболической стабильностью. На ее долю приходится до 85—90 % всех клеточных РНК. Степень спирализованности молекул рРНК находится в пределах 70—80 %.

Предполагается, что в белоксинтезирующей системе клетки

функция рРНК не исчерпывается ролью структурного компонента. У прокариотов обнаружено, что в рРНК имеются небольшие участки, комплементарные участкам мРНК. Спаривание этих участков, видимо, способствует первоначальному связыванию мРНК с рибосомой. Не исключено, что некоторые участки рРНК играют определенную роль в формировании пептидтрансферазного центра рибосомы, ответственного за образование пептидных связей при синтезе белка.

Транспортные РНК. Это низкомолекулярные нуклеиновые кислоты; молекулярная масса колеблется в пределах 23 000—30 000, каждой из 20 белковых аминокислот соответствует, по крайней мере, одна тРНК. Однако некоторым аминокислотам специфичны от 2 до 6 тРНК; предполагается их общее количество около 60. Они составляют примерно 15 % общего количества клеточных РНК. Многие тРНК получены в гомогенном состоянии, некоторые — в кристаллическом виде.

Небольшая молекулярная масса, наличие достаточно большого количества (до 10 %) минорных оснований, которые являются прекрасными маркерами, существенно облегчают проблему определения нуклеотидной последовательности тРНК. В 1965 г. Р. Холли и его сотрудники установили полную нуклеотидную последовательность аланиновой тРНК дрожжей; в 1967 г. А.А. Баев и сотрудники установили последовательность нуклеотидов валиновой тРНК дрожжей. А. Рич и др. (1975—1977 гг.) провели полную расшифровку пространственной структуры фенилаланиновой тРНК на основе рентгенограмм с разрешением до 0,4 нм. Вторичная структура тРНК в плоском изображении имеет вид клеверного листа (рис. 3). тРНК содержит 4 двухцепочечных спиральных участка, 3 из которых являются "шпильками", несущими петли из неспаренных нуклеотидов; 3'- и 5'-концы полинуклеотидной цепи объединены в наиболее длинный спиральный участок, образованный водородными связями между азотистыми основаниями и завершающийся неспаренным тринуклеотидом ССА, Кроме четырех основных ветвей, более длинные тРНК содержат короткую пятую, или дополнительную, ветвь. Две из основных ветвей непосредственно обеспечивают функцию тРНК как адалтора (между двадцатибуквенным кодом белков и четырехбуквенным кодом нуклеиновых кислот). Антикодоновая ветвь имеет антикодон, представляющий собой специфический триплет нуклеотидов, комплементарный кодону мРНК и способный образовывать с ним пары оснований. Акцепторная ветвь присоединяет специфическую аминокислоту за счет образования эфирной связи между ее карбоксильной группой и гидроксильной группой 3'-концевого остатка аденина в тРНК, Две другие главные ветви тРНК называются дигидроуридиловая ветвь и ТС-ветвъ. Первая содержит необычный нуклеозид дигидроуридин, а вторая — нуклеозиды псевдоуридин () и риботимидин (Т), обычно не присутствующие в составе РНК.

Исследования структуры тРНК методом рентгеноструктурного анализа показали, что их нативные молекулы имеют компактную форму; отдельные двухспиральные "шпильки" клеверного листа складываются в специфическую третичную структуру, которая является близкой для всех тРНК.

После ферментативной этерификации свободной 3'-гидроксигруппы концевого остатка адениловой кислоты в последовательности ССА специфической в отношении тРНК аминокислотой образуется активная форма, называемая аминоацил-тРНК. Остаток этой аминокислоты переносится к концу растущей полипептидной цепи. Антикодон обеспечивает специфичность взаимодействия тРНК с мРНК. Боковые петли, видимо, играют важную роль в связывании тРНК с аминоацил-тРНК-синтетазой и с комплексом рибосома—мРНК. Аддукты аминоцил—тРНК располагаются в определенной последовательности, связанной с последовательностью кодонов мРНК.

Рис.5 Структура транспортной РНК