Лекція 4. Нуклеїнові кислоти. АТФ
Мал. будова ДНК
нуклеїнових кислот відносять високополімерні з'єднання, що розпадаються при гідролізі на пуринові і піримідинові азотисті основи, пентозу і фосфорну кислоту. Нуклеїнові кислоти містять вуглець, водень, фосфор, кисень і азот. Розрізняють два класи нуклеїнових кислот: РНК (РНК) і дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК).
Будова і функції ДНК. Молекула ДНК - гетерополімер. мономерами якої є дезоксирибонуклеотидів. Модель просторової будови молекули ДНК у вигляді подвійної спіралі була запропонована в 1953 р Дж.Уотсоном і Ф. Криком (Нобелівська премія), для побудови цієї моделі вони використовували роботи М.Уілкінса, Р.Франклин, Е.Чаргаффа.
Молекула ДНК утворена двома полінуклеотидні ланцюгами, спірально закрученими один біля одного, і разом навколо уявної осі, тобто являє собою подвійну спіраль (виняток - деякі ДНК-віруси мають одноцепочечную ДНК). Діаметр подвійної спіралі ДНК - 2 нм, відстань між сусідніми нуклеотидами - 0,34 нм, на один оборот спіралі доводиться 10 пар нуклеотидів. Довжина молекули може досягати декількох сантиметрів. Молекулярний вага - десятки і сотні мільйонів. Сумарна довжина ДНК ядра клітини людини - близько 2м. У клітині ДНК утворює комплекси з білками і має специфічну просторову конформацію.
Мономер ДНК - нуклеотид (дезоксірібонуклеотідов) - складається із залишків трьох речовин: 1) азотистої основи, 2) пятиуглеродного моносахарида (дезоксирибози) і 3) фосфорної кислоти. Азотисті основи нуклеїнових кислот відносяться до класів піримідинів і пуринів. Піримідинові підстави ДНК (мають в складі своєї молекули одне кільце) - тимін, цитозин. Пуринові основи (мають два кільця) - аденін і гуанін.
Мал. Освіта нуклеотиду ДНК
бразованіе нуклеотиду відбувається в два етапи. На першому етапі в результаті реакції конденсації утворюється нуклеозид - комплекс азотистого підстави з цукром. На другому етапі нуклеозид піддається фосфорилювання. При цьому між залишком цукру і фосфорною кислотою виникає фосфоефірную зв'язок. Таким чином, нуклеотид являє собою нуклеозид, з'єднаний із залишком фосфорної кислоти (рис.).
Назва нуклеотиду є похідним від назви відповідного підстави. Нуклеотиди і азотисті основи позначаються великими літерами.
Проти одного ланцюга нуклеотидів розташовується другий ланцюг. Розташування нуклеодідов в цих двох ланцюгах не випадковий, а чітко визначений: проти аденіну одного ланцюга в інший ланцюга завжди розташовується тимін, а проти гуаніну - завжди цитозин.
Мал. ДНК
ежду аденином і тиміном виникають дві водневі зв'язку, а гуаніном і цитозином - три водневі зв'язку. Закономірність, згідно з якою нуклеотиди різних ланцюгів ДНК розташовуються строго впорядковано (аденін - тимін, гуанін - цитозин) і вибірково з'єднуються один з одним, називається принципом комплементарності. Слід зазначити, що Дж.Уотсон і Ф. Крик прийшли до розуміння принципу комплементарності після ознайомлення з роботами Е.Чаргаффа.
А = Т; Г = Ц або --- = 1
З принципу комплементарності слід, що послідовність нуклеотидів одного ланцюга визначає послідовність нуклеотидів інший.
Ланцюги ДНК антіпараллельни (різноспрямовані), тобто нуклеотиди різних ланцюгів розташовуються в протилежних напрямках, і, отже, навпаки 3'-кінця одного ланцюга знаходиться 5'-кінець інший. Молекулу ДНК іноді порівнюють з гвинтовими сходами. «Перила» цих сходів - сахарофосфатний остов (чергуються залишки дезоксирибози і фосфорної кислоти); "Сходинки" - комплементарні азотисті основи.
Функція ДНК - зберігання спадкової інформації.
«Будівельним матеріалом» і джерелом енергії для реплікації є дезоксирибонуклеозидтрифосфатов (АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ), що містять три залишку фосфорної кислоти. При включенні дезоксирибонуклеозидтрифосфатов в полінуклеотидних ланцюг два кінцевих залишку фосфорної кислоти відщеплюються, і звільнилася енергія використовується на освіту фосфодіефірних зв'язку між нуклеотидами.
Мал. Реплікація ДНК.
реплікації беруть участь наступні ферменти: 1) гелікази ( «розплітає» ДНК); 2) дестабілізуючі білки; 3) ДНК-топоізомерази (розрізають ДНК); 4) ДНК-полімерази (підбирають дезоксирибонуклеозидтрифосфатов і комплементарно приєднують їх до матричного ланцюга ДНК); 5) РНК-ПРАЙМАЗИ (утворюють РНК-затравки, праймери); 6) ДНК-лігази (зшивають фрагменти ДНК).
За допомогою геліказу в певних ділянках ДНК розплітається, одноцепочечниє ділянки ДНК зв'язуються дестабілізуючими білками, утворюється репликационная вилка. При розбіжності 10 пар нуклеотидів (один виток спіралі) молекула ДНК повинна зробити повний оборот навколо своєї осі. Щоб запобігти цьому обертання ДНК-топоізомераза розрізає один ланцюг ДНК, це дає можливість обертатися їй навколо другого ланцюга.
ДНК-полімераза може приєднувати нуклеотид тільки до 3'-вуглецю дезоксирибози попереднього нуклеотиду, тому даний фермент здатний пересуватися по матричної ДНК тільки в одному напрямку: від 3'-кінця до 5'-кінця цієї матричної ДНК. Так як в материнській ДНК ланцюга антіпараллельни, то на її різних ланцюгах збірка дочірніх полінуклеотидних ланцюгів відбувається по-різному і в протилежних напрямках.
На ланцюга «3'-5 '» синтез дочірньої полінуклеотидних ланцюга йде без перерв, ця дочірня ланцюг буде називатися лідируючої. На ланцюга «5'-3 '» - уривчасто, фрагментами (фрагменти Окадзакі), які після завершення реплікації ДНК-лігази зшиваються в один ланцюг; ця дочірня ланцюг буде називатися запізнілої (відстає).
Особливість ДНК-полімерази - вона може починати свою роботу тільки з «затравки» (праймера). Роль запалів виконують короткі послідовності РНК, утворені за участю ферменту РНК-ПРАЙМАЗИ і спарені з матричної ДНК. РНК-затравки після закінчення складання полінуклеотидних ланцюжків видаляються і замінюються на нуклеотиди ДНК інший ДНК-полімеразою.
Реплікація протікає схоже у прокаріотів і еукаріотів. Швидкість синтезу ДНК у прокаріотів на порядок вище (1000 нуклеотидів в секунду), ніж у еукаріот (100 нуклеотидів в секунду). Реплікація починається одночасно в декількох ділянках молекули ДНК, що мають певну нуклеотидну послідовність і званих Оріджін (англ. Origin - початок). Фрагмент ДНК від однієї точки початку реплікації до іншої утворює одиницю реплікації - реплікон.
Мал. Ферменти реплікації ДНК:
1 - гелікази; 2 - дестабілізуючі білки; 3 - лідируюча ланцюг ДНК; 4 - синтез фрагмента Окадзакі; 5 - запал замінюється нуклеотидами ДНК і фрагменти зшиваються лігаза; 6 - ДНК-полімераза; 7 - РНК-праймаза, синтезує РНК-затравки; 8 - РНК-запал; 9 - фрагмент Окадзакі; 10 - лігаза, зшивають фрагменти Окадзакі; 11 - топоізомера, розрізає одну з ланцюгів ДНК.
Мал. реплікони ДНК
еплікація відбувається перед поділом клітини. Завдяки цій здатності ДНК, здійснюється передача спадкової інформації від материнської клітини дочірнім.
Репарація ( «ремонт») - процес усунення пошкоджень нуклеотидноїпослідовності ДНК. Здійснюється особливими ферментними системами клітини (ферменти репарації). В процесі відновлення структури ДНК можна виділити наступні етапи: 1) ДНК-репаруючу нуклеази розпізнають і видаляють пошкоджену ділянку, в результаті чого в ланцюзі ДНК утворюється пролом; 2) ДНК-полімераза заповнює цю прогалину, копіюючи інформацію з другої ( "хорошою") ланцюга; 3) ДНК-лігаза "зшиває" нуклеотиди, завершуючи репарацію.
Мал. будова РНК
РНК - молекули гетерополімери, мономерами яких є рибонуклеотиди. На відміну від ДНК, РНК утворена не двома, а однією полинуклеотидной ланцюжком (виняток - деякі РНК-віруси мають двухцепочечную РНК). Нуклеотиди РНК здатні утворювати водневі зв'язки між собою, але це внутрішньо, а не межцепочечних зв'язку.
Ланцюги РНК значно коротше ланцюгів ДНК. Мономер РНК - нуклеотид (рибонуклеотид) - складається із залишків трьох речовин: 1) азотистої основи, 2) пятиуглеродного моносахарида (араб) і 3) фосфорної кислоти. Азотисті основи РНК також відносяться до класів піримідинів і пуринів. Піримідинові підстави РНК - урацил, цитозин. пуринові основи - аденін і гуанін.
Мал. тРНК
иделяют три види РНК: 1) інформаційна (матрична) РНК - іРНК (мРНК), 2) транспортна РНК - тРНК, 3) рибосомная РНК - рРНК. Всі види РНК являють собою нерозгалужені полінуклеотіди, мають специфічну просторову конформацію і беруть участь в процесах синтезу білка. Інформації про будову всіх видів РНК зберігається в ДНК. Процес синтезу РНК на матриці ДНК називається транскрипцією.
Транспортні РНК - містять зазвичай від 76 до 85 нуклеотидів; молекулярна маса - 25 000-30 000. На частку тРНК припадає близько 10% від загального вмісту РНК в клітині. Відповідає тРНК за транспорт амінокислот до місця синтезу білка, до рибосом. У клітці зустрічається близько 30 видів тРНК, кожен з них має характерну тільки для нього послідовність нуклеотидів. Однак у всіх тРНК є кілька внутрішньо молекулярних комплементарних ділянок, через які тРНК набувають конформацию, що нагадує за формою лист конюшини.
Молекула тРНК є нерозгалужений полинуклеотид, первинна структура якого - послідовність нуклеотидів, вторинна - освіту петель за рахунок спарювання комплементарних нуклеотидів, і третинна - освіту компактної структури за рахунок взаємодії спіраль ділянок вторинної структури. У будь-тРНК є петля для контакту з рибосомою, антикодоновая петля з антикодоном, петля для контакту з ферментом, акцепторні стебло. Амінокислота приєднується до 3'-кінця акцепторного стебла. Антикодон - три нуклеотиду, «опознающие» кодон іРНК. Слід підкреслити, що конкретна тРНК може транспортувати строго певну амінокислоту, яка відповідає її антикодону. Специфічність з'єднання амінокислоти і тРНК досягається завдяки властивостям ферменту «аміноацил-тРНК-синтетаза».
Хвороби - містять 3 000-5 000 нуклеотидів. На частку рРНК припадає 80-85% від загального вмісту РНК в клітині. У комплексі з рибосомні білками рРНК утворює рибосоми - органели, які здійснюють синтез білка. У клітині синтез рРНК відбувається в ядерцях.
Інформаційні РНК різноманітні за змістом нуклеотидів і молекулярної масі (до 30 000 нуклеотидів). На частку іРНК припадає до 5% від загального вмісту РНК в клітині. Функції іРНК - перенесення генетичної інформації від ДНК до рибосом; матриця для синтезу молекули білка; визначення амінокислотної послідовності первинної структури білкової молекули.
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) - універсальний джерело і основний акумулятор енергії в живих клітинах. АТФ міститься в усіх клітинах рослин і тварин. Кількість АТФ в середньому становить 0,04% (від сирої маси клітини), найбільша кількість АТФ (0,2-0,5%) міститься в скелетних м'язах. У клітці молекула АТФ витрачається протягом однієї хвилини після її утворення. У людини кількість АТФ, рівне масі тіла, утворюється і руйнується кожні 24 години.
АТФ - мононуклеотид, що складається із залишків азотистої основи (аденіну), араб і трьох залишків фосфорної кислоти. Оскільки АТФ містить не один, а три залишку фосфорної кислоти, вона відноситься до рібонуклеозідтріфосфатов.
Для більшості видів робіт, що відбуваються в клітинах, використовується енергія гідролізу АТФ. При цьому при відщепленні кінцевого залишку фосфорної кислоти АТФ переходить в АДФ (аденозіндіфосфорная кислоту), при відщепленні другого залишку фосфорної кислоти - в АМФ (аденозинмонофосфорной кислоту). Вихід вільної енергії при відщепленні як кінцевого, так і другого залишків фосфорної кислоти становить близько 30,6 кДж / моль. Відщеплення третьої фосфатної групи супроводжується виділенням тільки 13,8 кДж / моль. Зв'язки між кінцевим і другим, другим і першим залишками фосфорної кислоти називаються макроергічними (високоенергетичними).
Запаси АТФ постійно поповнюються. У клітинах всіх організмів синтез АТФ відбувається в процесі фосфорилювання, тобто приєднання фосфорної кислоти до АДФ. Фосфорилювання відбувається з різною інтенсивністю при диханні (мітохондрії), гликолизе (цитоплазма), фотосинтезі (хлоропласти).
Мал. гідроліз АТФ
АТФ є основною сполучною ланкою між процесами, що супроводжуються виділенням і накопиченням енергії, і процесами, що протікають з витратами енергії. Крім цього, АТФ поряд з іншими рібонуклеозідтріфосфатов (ГТФ, ЦТФ, УТФ) є субстратом для синтезу РНК.
Крім АТФ є й інші молекули з макроергічними зв'язками - УТФ (урідінтріфосфорная кислота), ГТФ (гуанозінтріфосфорная кислота), ЦТФ (цітідінтріфосфорная кислота), енергія яких використовуються для біосинтезу білка (ГТФ), полісахаридів (УТФ), фосфоліпідів (ЦТФ). Але всі вони утворюються за рахунок енергії АТФ.
Крім мононуклеотидів, важливу роль в реакціях обміну речовин грають дінуклеотід (НАД +. НАДФ +. ФАД), які відносяться до групи коферментів (органічні молекули, що зберігають зв'язок з ферментом тільки в ході реакції). НАД + (никотинамидадениндинуклеотид), НАДФ + (нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат) - дінуклеотід, що мають в своєму складі два азотистих підстави - аденін і амід нікотинової кислоти - похідне вітаміну РР), два залишку рибози і два залишку фосфорної кислоти (рис.). Якщо АТФ - універсальний джерело енергії, то НАД + і НАДФ + - універсальні акцептори, а їх відновлені форми - НАДН і НАДФН - універсальні донори відновлювальних еквівалентів (двох електронів і одного протона). Що входить до складу залишку аміду нікотинової кислоти атом азоту чотиривалентний і несе позитивний заряд (НАД +). Це азотистих основ легко приєднує два електрони і один протон (тобто відновлюється) в тих реакціях, в яких за участю ферментів дегідрогеназ від субстрату відриваються два атома водню (другий протон йде в розчин):
З убстрат-Н2 + НАД + субстрат + НАДН + Н +
Мал. Структура молекули динуклеотидів НАД + і НАДФ +.
А - приєднання фосфатної групи до залишку рибози в молекулі НАД. Б - приєднання двох електронів і одного протона (аніона Н -) до НАД +.
У зворотних реакціях ферменти, окислюючи НАДН або НАДФН. відновлюють субстрати, приєднуючи до них атоми водню (другий протон приходить з розчину).
ФАД - флавінаденіндінуклеотід - похідне вітаміну В2 (рибофлавіну) також є кофактором дегідрогеназ, але ФАД приєднує два протони і два електрони, відновлюючись до ФАДН2.
Ключові терміни і поняття
1. Нуклеотид ДНК. 2. Пуринові і піримідинові азотисті основи. 3. антипаралельними ланцюгів нуклеотидів ДНК. 4. Комплементарність. 5. напівконсервативним спосіб реплікації ДНК. 6. Лідируюча і відстає ланцюга нуклеотидів ДНК. 7. Реплікон. 8. Репарація. 9. Нуклеотид РНК. 10. АТФ, АДФ, АМФ. 11. НАД +. НАДФ +. 12. ФАД.
Основні питання для повторення
З'єднання нуклеотидів ДНК в один ланцюг.
З'єднання полінуклеотидних ланцюжків ДНК один з одним.
Розміри ДНК: довжина, діаметр, довжина одного витка, відстань між нуклеотидами.
Правила Чаргаффа, значення робіт Д. Уотсон і Ф. Крик.
Реплікація ДНК. Ферменти, що забезпечують реплікацію: гелікази, топоізомерази, ПРАЙМАЗИ, ДНК-полімерази; лігази.
Будова РНК.
Види РНК, їх кількість, розміри і функції.
Характеристика АТФ.
Характеристика НАД +. НАДФ +. ФАД.