Υπουργείο Παιδείας και Επιστημών της Ρωσικής Ομοσπονδίας
Ομοσπονδιακό Κρατικό Αυτόνομο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα
Ανώτατη εκπαίδευση
«ΕΘΝΙΚΟ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΑΖΑΝ»
ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ
ΤΜΗΜΑ ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΡΟΦΙΜΩΝ
ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΣΤΟ ΘΕΜΑ
ΝΟΥΚΛΕΪΚΑ ΟΞΕΑ. DNA και RNA
Συμπλήρωσε: Radenko V.
Ομάδα 625 Μ-52
Νουκλεϊκά οξέα -φυσικές υψηλού μοριακού χαρακτήρα οργανικές ενώσεις που διασφαλίζουν την αποθήκευση και τη μετάδοση κληρονομικών (γενετικών) πληροφοριών σε ζωντανούς οργανισμούς. Κάθε ζωντανός οργανισμός περιέχει 2 τύπους νουκλεϊκών οξέων: ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA) και δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA). Το μοριακό βάρος του μικρότερου γνωστού νουκλεϊκού οξέος, του RNA μεταφοράς (tRNA), είναι περίπου 25 kDa. Το DNA είναι το μεγαλύτερο μόριο πολυμερούς. το μοριακό τους βάρος κυμαίνεται από 1.000 έως 1.000.000 kDa. Το DNA και το RNA αποτελούνται από μονομερείς μονάδες - νουκλεοτίδια, γι' αυτό τα νουκλεϊκά οξέα ονομάζονται πολυνουκλεοτίδια.
Δομή νουκλεοτιδίων
Κάθε νουκλεοτίδιο περιέχει 3 χημικά διαφορετικά συστατικά: μια ετεροκυκλική αζωτούχα βάση, έναν μονοσακχαρίτη (πεντόζη) και ένα υπόλειμμα φωσφορικού οξέος. Ανάλογα με τον αριθμό των υπολειμμάτων φωσφορικού οξέος που υπάρχουν στο μόριο, διακρίνονται οι μονοφωσφορικοί νουκλεοζίτες (NMP), οι διφωσφορικοί νουκλεοζίτες (NDP) και οι τριφωσφορικοί νουκλεοζίτες (NTP) (Εικ. 4-1). Τα νουκλεϊκά οξέα περιέχουν δύο τύπους αζωτούχων βάσεων: πουρίνη - αδενίνη(ΕΝΑ), γουανίνη(G) και πυριμιδίνη - κυτοσίνη(ΜΕ), θυμίνη(Τ) και ουρακίλη(U). Η αρίθμηση των ατόμων στις βάσεις γράφεται μέσα στον κύκλο (Εικ. 4-2). Οι πεντόζες στα νουκλεοτίδια είναι είτε ριβόζη (στο RNA) είτε δεοξυριβόζη (στο DNA). Για να διακρίνουμε τους αριθμούς των ατόμων στις πεντόζες από την αρίθμηση των ατόμων στις βάσεις, η καταγραφή γίνεται στο εξωτερικό του κύκλου και ένας πρώτος (") προστίθεται στον αριθμό - 1", 2", 3", 4" και 5" (Εικ. 4-3). Η πεντόζη συνδέεται με τη βάση Ν-γλυκοσιδικός δεσμός,που σχηματίζεται από το άτομο C 1 της πεντόζης (ριβόζη ή δεοξυριβόζη) και το άτομο N 1 της πυριμιδίνης ή το άτομο N 9 της πουρίνης (Εικ. 4-4). Τα νουκλεοτίδια στα οποία η πεντόζη αντιπροσωπεύεται από ριβόζη ονομάζονται ριβονουκλεοτίδια και τα νουκλεϊκά οξέα που δημιουργούνται από ριβονουκλεοτίδια ονομάζονται ριβονουκλεϊκά οξέα ή RNA. Τα νουκλεϊκά οξέα των οποίων τα μονομερή περιλαμβάνουν δεοξυριβόζη ονομάζονται δεοξυριβονουκλεϊκά οξέα ή DNA. Σύμφωνα με τη δομή τους, τα νουκλεϊκά οξέα ταξινομούνται ως
Ρύζι. 4-1. Μονο-, δι- και τριφωσφορικά νουκλεοσίδια της αδενοσίνης.Τα νουκλεοτίδια είναι εστέρες φωσφόρου των νουκλεοζιτών. Το υπόλειμμα φωσφορικού οξέος συνδέεται με το άτομο άνθρακα 5" της πεντόζης (5" φωσφοεστερικός δεσμός).
Ρύζι. 4-2. Βάσεις πουρίνης και πυριμιδίνης.
Ρύζι. 4-3. Πεντόζες.Υπάρχουν 2 τύποι - η β-D-ριβόζη στη σύνθεση των νουκλεοτιδίων RNA και η β-D-2-δεοξυριβόζη στη σύνθεση των νουκλεοτιδίων του DNA.
κατηγορία γραμμικών πολυμερών. Η ραχοκοκαλιά του νουκλεϊκού οξέος έχει την ίδια δομή σε όλο το μήκος του μορίου και αποτελείται από εναλλασσόμενες ομάδες - πεντόζη-φωσφορικό-πεντόζη- (Εικ. 4-5). Μεταβλητές ομάδες στις πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες είναι οι αζωτούχες βάσεις - πουρίνες και πυριμιδίνες. Τα μόρια RNA περιλαμβάνουν αδενίνη (Α), ουρακίλη (U), γουανίνη (G) και κυτοσίνη (C), ενώ το DNA περιέχει αδενίνη (Α), θυμίνη (Τ), γουανίνη (G) και κυτοσίνη (C). Η μοναδική δομή και η λειτουργική ατομικότητα των μορίων DNA και RNA καθορίζονται από την πρωτογενή δομή τους - την αλληλουχία των αζωτούχων βάσεων στην πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα.
Ρύζι. 4-4. Νουκλεοτίδια πουρίνης και πυριμιδίνης.
Ρύζι. 4-5. Θραύσμα αλυσίδας DNA.
Β. Δομή του δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος (DNA)
Πρωτογενής δομή του DNA -τη σειρά εναλλαγής των μονοφωσφορικών δεοξυριβονουκλεοσιδίων (dNMP) στην πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα. Κάθε φωσφορική ομάδα στην πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα, με εξαίρεση το υπόλειμμα φωσφόρου στο 5" άκρο του μορίου, συμμετέχει στο σχηματισμό δύο εστερικών δεσμών που περιλαμβάνουν τα άτομα άνθρακα 3" και 5" δύο γειτονικών δεοξυριβογών, επομένως ο δεσμός μεταξύ Τα μονομερή ορίζονται 3", 5" - φωσφοδιεστέρας Τα τερματικά νουκλεοτίδια του DNA διακρίνονται από τη δομή: στο άκρο 5" υπάρχει μια φωσφορική ομάδα και στο άκρο 3" της αλυσίδας υπάρχει μια ελεύθερη ομάδα ΟΗ Τα άκρα ονομάζονται άκρα 5" και 3" Η γραμμική αλληλουχία των δεοξυριβονουκλεοτιδίων στην αλυσίδα του πολυμερούς DNA συνήθως συντομεύεται χρησιμοποιώντας έναν κωδικό ενός μόνο γράμματος, για παράδειγμα -A-G-C-T-T-A-C-A- από το άκρο 5"-.
Κάθε μονομερές νουκλεϊκού οξέος περιέχει ένα υπόλειμμα φωσφορικού οξέος. Σε pH 7 η φωσφορική ομάδα είναι πλήρως ιονισμένη, άρα in vivoΤα νουκλεϊκά οξέα υπάρχουν ως πολυανιόντα (έχουν πολλαπλά αρνητικά φορτία). Τα υπολείμματα πεντόζης παρουσιάζουν επίσης υδρόφιλες ιδιότητες. Οι βάσεις αζώτου είναι σχεδόν αδιάλυτες στο νερό, αλλά ορισμένα άτομα των δακτυλίων πουρίνης και πυριμιδίνης είναι ικανά να σχηματιστούν δεσμούς υδρογόνου.
Δευτερογενής δομή του DNA.Το 1953, οι J. Watson και F. Crick πρότειναν ένα μοντέλο της χωρικής δομής του DNA. Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, το μόριο DNA έχει το σχήμα έλικας, που σχηματίζεται από δύο πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες στριμμένες μεταξύ τους και γύρω από έναν κοινό άξονα. Διπλή έλικα δεξιόχειρας,πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα σε αυτό αντιπαράλληλος(Εικ. 4-6), δηλ. εάν ένα από αυτά είναι προσανατολισμένο προς την κατεύθυνση 3"→5", τότε το δεύτερο είναι προς την κατεύθυνση 5"→3". Επομένως, σε κάθε άκρο
Ρύζι. 4-6. Διπλή έλικα DNA.
Τα μόρια DNA αποτελούνται από δύο αντιπαράλληλους κλώνους με μια συμπληρωματική νουκλεοτιδική αλληλουχία. Οι αλυσίδες είναι στριμμένες μεταξύ τους σε μια δεξιόστροφη σπείρα έτσι ώστε να υπάρχουν περίπου 10 ζεύγη νουκλεοτιδίων ανά στροφή του μορίου. Όλες οι βάσεις των κλώνων του DNA βρίσκονται μέσα στη διπλή έλικα και η ραχοκοκαλιά της φωσφορικής πεντόζης βρίσκεται έξω. Οι πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες συγκρατούνται μεταξύ τους λόγω των δεσμών υδρογόνου μεταξύ των συμπληρωματικών αζωτούχων βάσεων Α και Τ πουρίνης και πυριμιδίνης (δύο δεσμοί) και μεταξύ G και C (τρεις δεσμοί) (Εικ. 4-7). Με αυτόν τον συνδυασμό, κάθε ζεύγος περιέχει τρεις δακτυλίους, επομένως το συνολικό μέγεθος αυτών των ζευγών βάσεων είναι το ίδιο σε όλο το μήκος του μορίου.
Ρύζι. 4-7. Ζεύγη βάσεων πουρίνης-πυριμιδίνης στο DNA.
Δεσμοί υδρογόνου με άλλους συνδυασμούς βάσεων σε ένα ζευγάρι είναι πιθανοί, αλλά είναι πολύ πιο αδύναμοι. Η νουκλεοτιδική αλληλουχία μιας αλυσίδας είναι εντελώς συμπληρωματική με την αλληλουχία νουκλεοτιδίων της δεύτερης αλυσίδας. Επομένως, σύμφωνα με τον κανόνα του Chargaff (ο Erwin Chargaff το 1951 καθιέρωσε πρότυπα στην αναλογία βάσεων πουρίνης και πυριμιδίνης σε ένα μόριο DNA), ο αριθμός των βάσεων πουρίνης (A + G) είναι ίσος με τον αριθμό των βάσεων πυριμιδίνης (T + C) . Συμπληρωματικές βάσεις στοιβάζονται στον πυρήνα της έλικας. Ανάμεσα στις βάσεις ενός δίκλωνου μορίου σε μια στοίβα, υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις,σταθεροποίηση της διπλής έλικας.
Αυτή η δομή αποκλείει την επαφή των υπολειμμάτων αζώτου με το νερό, αλλά η στοίβα των βάσεων δεν μπορεί να είναι απολύτως κάθετη. Τα ζεύγη βάσεων είναι ελαφρώς μετατοπισμένα μεταξύ τους. Στη διαμορφωμένη δομή, διακρίνονται δύο αυλακώσεις - μια μεγάλη, πλάτους 2,2 nm και μια μικρή, πλάτους 1,2 nm. Οι βάσεις αζώτου στην περιοχή των μεγάλων και των δευτερευόντων αυλακώσεων αλληλεπιδρούν με συγκεκριμένες πρωτεΐνες που εμπλέκονται στην οργάνωση της δομής της χρωματίνης.
Τριτογενής δομή του DNA (υπερέλιξη DNA)Κάθε μόριο DNA συσκευάζεται σε ξεχωριστό χρωμόσωμα. Τα ανθρώπινα διπλοειδή κύτταρα περιέχουν 46 χρωμοσώματα.Το συνολικό μήκος του DNA όλων των χρωμοσωμάτων σε ένα κύτταρο είναι 1,74 m, αλλά είναι συσκευασμένο σε έναν πυρήνα του οποίου η διάμετρος είναι εκατομμύρια φορές μικρότερη. Για να εντοπιστεί το DNA στον πυρήνα του κυττάρου, πρέπει να σχηματιστεί μια πολύ συμπαγής δομή. Η συμπίεση και η υπερέλιξη του DNA πραγματοποιούνται χρησιμοποιώντας μια ποικιλία πρωτεϊνών που αλληλεπιδρούν με ορισμένες αλληλουχίες στη δομή του DNA. Όλες οι πρωτεΐνες που συνδέονται με το ευκαρυωτικό DNA μπορούν να χωριστούν σε 2 ομάδες: Gisgon και μη ιστονικές πρωτεΐνες.Το σύμπλεγμα πρωτεϊνών με το πυρηνικό DNA των κυττάρων ονομάζεται χρωματίνη.
Ιστόνες- πρωτεΐνες με μοριακό βάρος 11-21 kDa, που περιέχουν πολλά υπολείμματα αργινίνης και λυσίνης. Λόγω του θετικού τους φορτίου, οι ιστόνες σχηματίζουν ιοντικούς δεσμούς με αρνητικά φορτισμένες φωσφορικές ομάδες που βρίσκονται στο εξωτερικό της διπλής έλικας του DNA. Υπάρχουν 5 είδη ιστονών. Τέσσερις ιστόνες H2A, H2B, H3 και H4 σχηματίζουν ένα οκταμερές πρωτεϊνικό σύμπλεγμα (H2A, H2B, H3, H4) 2, το οποίο ονομάζεται "νουκλεοσωμικός πυρήνας"(από τα αγγλικά πυρήνα νουκλεοσώματος). Το μόριο DNA «τυλίγει» στην επιφάνεια του οκταμερούς ιστόνης, συμπληρώνοντας 1,75 στροφές (περίπου 146 ζεύγη νουκλεοτιδίων). Αυτό το σύμπλεγμα πρωτεϊνών ιστόνης με DNA χρησιμεύει ως η κύρια δομική μονάδα της χρωματίνης, ονομάζεται «νουκλεόσωμα».Το DNA που δεσμεύει τα νουκλεοσωμικά σωματίδια ονομάζεται συνδετικό DNA. Κατά μέσο όρο, το συνδετικό DNA είναι 60 ζεύγη υπολειμμάτων νουκλεοτιδίων. Τα μόρια Η1 ιστόνης συνδέονται με το DNA σε μεσονουκλεοσωμικές περιοχές (αλληλουχίες συνδέτη) και προστατεύουν αυτές τις περιοχές από τη δράση νουκλεασών (Εικ. 4-8).
Ρύζι. 4-8. Δομή νουκλεοσώματος.
Οκτώ μόρια ιστόνης (H2A, H2B, H3, H4) 2 αποτελούν τον πυρήνα του νουκλεοσώματος, γύρω από τον οποίο το DNA σχηματίζει περίπου 1,75 στροφές. DNA. Τα υπολείμματα αμινοξέων λυσίνης, αργινίνης και τερματικών αμινομάδων ιστονών μπορούν να τροποποιηθούν: ακετυλιωμένα, φωσφορυλιωμένα, μεθυλιωμένα ή αλληλεπιδρούν με την πρωτεΐνη ουβικιτίνη (πρωτεΐνη μη ιστόνης). Οι τροποποιήσεις μπορεί να είναι αναστρέψιμες ή μη αναστρέψιμες αλλάζουν το φορτίο και τη διαμόρφωση των ιστονών και αυτό επηρεάζει την αλληλεπίδραση των ιστονών μεταξύ τους και με το DNA. Η δραστηριότητα των ενζύμων που είναι υπεύθυνα για τις τροποποιήσεις ρυθμίζεται και εξαρτάται από το στάδιο του κυτταρικού κύκλου. Οι τροποποιήσεις καθιστούν δυνατές διαμορφωτικές αναδιατάξεις της χρωματίνης.
Πρωτεΐνες μη ιστόνης χρωματίνης.Ο πυρήνας ενός ευκαρυωτικού κυττάρου περιέχει εκατοντάδες διαφορετικές πρωτεΐνες μη ιστόνης που δεσμεύουν το DNA. Κάθε πρωτεΐνη είναι συμπληρωματική σε μια συγκεκριμένη αλληλουχία νουκλεοτιδίων DNA (θέση DNA).Αυτή η ομάδα περιλαμβάνει την οικογένεια των τοποειδικών πρωτεϊνών του τύπου «δάκτυλος ψευδάργυρου» (βλ. ενότητα 1). Κάθε «δάχτυλο ψευδάργυρου» αναγνωρίζει μια συγκεκριμένη θέση που αποτελείται από 5 ζεύγη νουκλεοτιδίων. Μια άλλη οικογένεια τοποειδικών πρωτεϊνών είναι τα ομοδιμερή. Το θραύσμα μιας τέτοιας πρωτεΐνης σε επαφή με το DNA έχει δομή έλικας-στροφή-έλικας (βλ. ενότητα 1). Η ομάδα των δομικών και ρυθμιστικών πρωτεϊνών που συνδέονται συνεχώς με τη χρωματίνη περιλαμβάνει πρωτεΐνες υψηλής κινητικότητας ( Πρωτεΐνες HMG- από τα αγγλικά, πρωτεΐνες γέλης υψηλής κινητικότητας). Έχουν μοριακό βάρος μικρότερο από 30 kDa και χαρακτηρίζονται από υψηλή περιεκτικότητα σε φορτισμένα αμινοξέα. Λόγω του χαμηλού μοριακού τους βάρους, οι πρωτεΐνες HMG έχουν υψηλή κινητικότητα κατά την ηλεκτροφόρηση γέλης πολυακρυλαμιδίου. Οι μη ιστονικές πρωτεΐνες περιλαμβάνουν επίσης ένζυμα αντιγραφής, μεταγραφής και επιδιόρθωσης. Με τη συμμετοχή δομικών, ρυθμιστικών πρωτεϊνών και ενζύμων που εμπλέκονται στη σύνθεση του DNA και του RNA, ο κλώνος των νουκλεοσωμάτων μετατρέπεται σε ένα εξαιρετικά συμπυκνωμένο σύμπλεγμα πρωτεϊνών και DNA. Η δομή που προκύπτει είναι 10.000 φορές μικρότερη από το αρχικό μόριο DNA.
Υπάρχουν τρία κύρια μακρομόρια σε έναν ζωντανό οργανισμό: πρωτεΐνες και δύο τύποι νουκλεϊκών οξέων. Χάρη σε αυτά, διατηρείται η ζωτική δραστηριότητα και η σωστή λειτουργία ολόκληρου του σώματος. Τι είναι τα νουκλεϊκά οξέα; Γιατί χρειάζονται; Περισσότερα για αυτό αργότερα στο άρθρο.
Γενικές πληροφορίες
Το νουκλεϊκό οξύ είναι ένα βιοπολυμερές, μια οργανική ένωση με υψηλό μοριακό βάρος, η οποία σχηματίζεται από υπολείμματα νουκλεοτιδίων. Η μετάδοση όλης της γενετικής πληροφορίας από γενιά σε γενιά είναι η κύρια εργασία που εκτελείται από τα νουκλεϊκά οξέα. Η παρακάτω παρουσίαση θα εξηγήσει αυτή την έννοια με περισσότερες λεπτομέρειες.
Ιστορικό της μελέτης
Το πρώτο νουκλεοτίδιο που μελετήθηκε απομονώθηκε από μύες βοοειδών το 1847 και ονομάστηκε «ινοσινικό οξύ». Ως αποτέλεσμα της μελέτης της χημικής δομής, αποκαλύφθηκε ότι είναι ένα ριβοσίδιο-5′-φωσφορικό και περιέχει έναν Ν-γλυκοσιδικό δεσμό Το 1868, ανακαλύφθηκε μια ουσία που ονομάζεται «νουκλεΐνη». Ανακαλύφθηκε από τον Ελβετό χημικό Friedrich Miescher κατά τη διάρκεια έρευνας σε ορισμένες βιολογικές ουσίες. Αυτή η ουσία περιελάμβανε φώσφορο. Η ένωση είχε όξινες ιδιότητες και δεν υπόκειται σε αποσύνθεση υπό την επίδραση πρωτεολυτικών ενζύμων.
Η ουσία έλαβε τον τύπο C29H49N9O22P3 Η υπόθεση για τη συμμετοχή της νουκλεΐνης στη διαδικασία μετάδοσης κληρονομικών πληροφοριών προτάθηκε ως αποτέλεσμα της ανακάλυψης της ομοιότητας της χημικής της σύνθεσης με τη χρωματίνη. Αυτό το στοιχείο είναι το κύριο συστατικό των χρωμοσωμάτων Ο όρος «νουκλεϊκό οξύ» εισήχθη για πρώτη φορά το 1889 από τον Richard Altmann. Ήταν αυτός που έγινε ο συγγραφέας της μεθόδου για την παραγωγή αυτών των ουσιών χωρίς ακαθαρσίες πρωτεΐνης Κατά τη διάρκεια της μελέτης της αλκαλικής υδρόλυσης νουκλεϊκών οξέων, ο Levin και ο Jacob προσδιόρισαν τα κύρια συστατικά των προϊόντων αυτής της διαδικασίας. Αποδείχθηκε ότι ήταν νουκλεοτίδια και νουκλεοζίτες. Το 1921, ο Lewin πρότεινε ότι το DNA έχει τετρανουκλεοτιδική δομή. Ωστόσο, αυτή η υπόθεση δεν επιβεβαιώθηκε και αποδείχθηκε λανθασμένη.
Ταξινόμηση
Τα νουκλεϊκά οξέα υπάρχουν σε δύο τύπους: DNA και RNA. Η παρουσία τους βρίσκεται στα κύτταρα όλων των ζωντανών οργανισμών. Το DNA βρίσκεται κυρίως στον κυτταρικό πυρήνα. Το RNA βρίσκεται στο κυτταρόπλασμα. Το 1935, κατά τη διάρκεια του μαλακού κατακερματισμού του DNA, ελήφθησαν 4 νουκλεοτίδια που σχηματίζουν DNA. Αυτά τα συστατικά παρουσιάζονται σε κρυσταλλική κατάσταση. Το 1953, οι Watstone και Crick προσδιόρισαν ότι το DNA έχει διπλή έλικα.
Μέθοδοι επιλογής
Έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι για τη λήψη ενώσεων από φυσικές πηγές. Οι κύριες προϋποθέσεις αυτών των μεθόδων είναι ο αποτελεσματικός διαχωρισμός νουκλεϊκών οξέων και πρωτεϊνών, ο λιγότερος κατακερματισμός των ουσιών που λαμβάνεται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας. Σήμερα, η κλασική μέθοδος χρησιμοποιείται ευρέως. Η ουσία αυτής της μεθόδου είναι η καταστροφή των τοιχωμάτων του βιολογικού υλικού και η περαιτέρω επεξεργασία τους με ένα ανιονικό απορρυπαντικό. Το αποτέλεσμα είναι ένα ίζημα πρωτεΐνης, ενώ τα νουκλεϊκά οξέα παραμένουν σε διάλυμα. Χρησιμοποιείται επίσης μια άλλη μέθοδος. Σε αυτή την περίπτωση, τα νουκλεϊκά οξέα μπορούν να καθιζάνουν σε κατάσταση πηκτής με χρήση αιθανόλης και φυσιολογικού ορού. Θα πρέπει να δίνεται προσοχή όταν το κάνετε αυτό. Ειδικότερα, η αιθανόλη πρέπει να προστεθεί με μεγάλη προσοχή στο αλατούχο διάλυμα για να ληφθεί ένα ίζημα γέλης. Σε ποια συγκέντρωση απελευθερώνεται το νουκλεϊκό οξύ, ποιες ακαθαρσίες υπάρχουν σε αυτό, μπορεί να προσδιοριστεί με τη φασματοφωτομετρική μέθοδο. Τα νουκλεϊκά οξέα αποικοδομούνται εύκολα από τις νουκλεάσες, οι οποίες είναι μια ειδική κατηγορία ενζύμων. Με μια τέτοια απομόνωση, είναι απαραίτητο ο εργαστηριακός εξοπλισμός να υποβάλλεται σε υποχρεωτική επεξεργασία με αναστολείς. Αυτά περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, έναν αναστολέα DEPC, ο οποίος χρησιμοποιείται στην απομόνωση RNA.
Φυσικές ιδιότητες
Τα νουκλεϊκά οξέα έχουν καλή διαλυτότητα στο νερό, αλλά είναι σχεδόν αδιάλυτα σε οργανικές ενώσεις. Επιπλέον, είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στη θερμοκρασία και τα επίπεδα pH. Τα μόρια νουκλεϊκού οξέος με υψηλό μοριακό βάρος μπορούν να κατακερματιστούν από τη νουκλεάση υπό την επίδραση μηχανικών δυνάμεων. Αυτά περιλαμβάνουν την ανάμειξη του διαλύματος και την ανακίνηση του.
Νουκλεϊκά οξέα. Δομή και λειτουργίες
Πολυμερικές και μονομερείς μορφές των εν λόγω ενώσεων βρίσκονται στα κύτταρα. Οι πολυμερείς μορφές ονομάζονται πολυνουκλεοτίδια. Σε αυτή τη μορφή, οι νουκλεοτιδικές αλυσίδες συνδέονται με ένα υπόλειμμα φωσφορικού οξέος. Λόγω της περιεκτικότητας σε δύο τύπους ετεροκυκλικών μορίων που ονομάζονται ριβόζη και δεοξυριβόζη, τα οξέα είναι ριβονουκλεϊκά και δεοξυριβονουκλεϊκά, αντίστοιχα. Με τη βοήθειά τους, λαμβάνει χώρα η αποθήκευση, μετάδοση και εφαρμογή κληρονομικών πληροφοριών. Από τις μονομερείς μορφές νουκλεϊκών οξέων, η πιο δημοφιλής είναι το τριφωσφορικό οξύ αδενοσίνης. Συμμετέχει στη σηματοδότηση και στην παροχή ενεργειακών αποθεμάτων στο κύτταρο.
DNA
Το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ είναι ένα μακρομόριο. Με τη βοήθειά του λαμβάνει χώρα η διαδικασία μεταφοράς και εφαρμογής γενετικής πληροφορίας. Αυτές οι πληροφορίες είναι απαραίτητες για την ανάπτυξη και τη λειτουργία ενός ζωντανού οργανισμού. Στα ζώα, τα φυτά και τους μύκητες, το DNA είναι μέρος των χρωμοσωμάτων που βρίσκονται στον πυρήνα του κυττάρου και βρίσκεται επίσης στα μιτοχόνδρια και τα πλαστίδια. Στα βακτήρια και τα αρχαία, το μόριο δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος προσκολλάται στην κυτταρική μεμβράνη από το εσωτερικό. Σε τέτοιους οργανισμούς υπάρχουν κυρίως κυκλικά μόρια DNA. Ονομάζονται «πλασμίδια». Σύμφωνα με τη χημική του δομή, το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ είναι ένα πολυμερές μόριο που αποτελείται από νουκλεοτίδια. Αυτά τα συστατικά, με τη σειρά τους, περιέχουν μια αζωτούχα βάση, ζάχαρη και μια φωσφορική ομάδα. Στα δύο τελευταία στοιχεία δημιουργείται ένας δεσμός μεταξύ των νουκλεοτιδίων, δημιουργώντας αλυσίδες. Βασικά, το μακρομόριο DNA παρουσιάζεται με τη μορφή μιας σπείρας δύο αλυσίδων.
RNA
Το ριβονουκλεϊκό οξύ είναι μια μακριά αλυσίδα που αποτελείται από νουκλεοτίδια. Περιέχουν αζωτούχα βάση, ζάχαρη ριβόζης και φωσφορική ομάδα. Οι γενετικές πληροφορίες κωδικοποιούνται χρησιμοποιώντας μια αλληλουχία νουκλεοτιδίων. Το RNA χρησιμοποιείται για τον προγραμματισμό της πρωτεϊνοσύνθεσης. Το ριβονουκλεϊκό οξύ δημιουργείται κατά τη μεταγραφή. Αυτή είναι η διαδικασία σύνθεσης RNA σε ένα πρότυπο DNA. Εμφανίζεται με τη συμμετοχή ειδικών ενζύμων. Ονομάζονται RNA πολυμεράσες. Μετά από αυτό, τα εκμαγεία ριβονουκλεϊκά οξέα συμμετέχουν στη διαδικασία μετάφρασης. Έτσι γίνεται η πρωτεϊνοσύνθεση στη μήτρα του RNA. Τα ριβοσώματα παίρνουν ενεργό μέρος σε αυτή τη διαδικασία. Τα υπόλοιπα RNA υφίστανται χημικούς μετασχηματισμούς για να ολοκληρωθεί η μεταγραφή. Ως αποτέλεσμα των αλλαγών που συμβαίνουν, σχηματίζονται οι δευτεροταγείς και τριτοταγείς δομές του ριβονουκλεϊκού οξέος. Λειτουργούν ανάλογα με τον τύπο του RNA.
Περιεχόμενα του άρθρου
ΝΟΥΚΛΕΪΚΑ ΟΞΕΑ– μόρια βιολογικών πολυμερών που αποθηκεύουν όλες τις πληροφορίες για έναν μεμονωμένο ζωντανό οργανισμό, καθορίζοντας την ανάπτυξη και την ανάπτυξή του, καθώς και τα κληρονομικά χαρακτηριστικά που μεταδίδονται στην επόμενη γενιά. Τα νουκλεϊκά οξέα βρίσκονται στους κυτταρικούς πυρήνες όλων των φυτικών και ζωικών οργανισμών, που καθόρισαν το όνομά τους (lat. . πυρήνας - πυρήνας).
Σύνθεση της πολυμερικής αλυσίδας των νουκλεϊκών οξέων.
Η πολυμερής αλυσίδα των νουκλεϊκών οξέων συναρμολογείται από θραύσματα φωσφορικού οξέος H 3 PO 3 και θραύσματα ετεροκυκλικών μορίων που είναι παράγωγα του φουρανίου. Υπάρχουν μόνο δύο τύποι νουκλεϊκών οξέων, ο καθένας χτισμένος με βάση έναν από τους δύο τύπους τέτοιων ετεροκυκλών - ριβόζη ή δεοξυριβόζη (Εικ. 1).
Ρύζι. 1. ΔΟΜΗ ΡΙΒΟΖΗΣ ΚΑΙ ΔΕΟΞΥΡΙΒΟΖΗΣ.
Το όνομα ριβόζη (από λατ. . Rib - rib, συνδετήρας) έχει την κατάληξη - ose, που δείχνει ότι ανήκει στην κατηγορία των σακχάρων (για παράδειγμα, γλυκόζη, φρουκτόζη). Η δεύτερη ένωση δεν έχει ομάδα ΟΗ (υδροξυ ομάδα), η οποία σημειώνεται με κόκκινο χρώμα στη ριβόζη. Από αυτή την άποψη, η τριπλή ένωση ονομάζεται δεοξυριβόζη, δηλ. ριβόζη χωρίς οξυομάδα.
Η αλυσίδα πολυμερούς, που κατασκευάζεται από θραύσματα ριβόζης και φωσφορικού οξέος, είναι η βάση ενός από τα νουκλεϊκά οξέα - ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA). Ο όρος «οξύ» στο όνομα αυτής της ένωσης χρησιμοποιείται επειδή μία από τις όξινες ομάδες ΟΗ του φωσφορικού οξέος παραμένει μη υποκατεστημένη, γεγονός που δίνει σε ολόκληρη την ένωση έναν ελαφρώς όξινο χαρακτήρα. Εάν η δεοξυριβόζη εμπλέκεται στον σχηματισμό της αλυσίδας του πολυμερούς αντί της ριβόζης, τότε σχηματίζεται το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ, για το οποίο η γνωστή συντομογραφία DNA είναι ευρέως αποδεκτή.
Δομή του DNA.
Το μόριο DNA χρησιμεύει ως το σημείο εκκίνησης στη διαδικασία ανάπτυξης και ανάπτυξης του οργανισμού. Στο Σχ. Το σχήμα 2 δείχνει πώς συνδυάζονται δύο τύποι εναλλασσόμενων αρχικών ενώσεων σε μια αλυσίδα πολυμερούς, δεν δείχνει τη μέθοδο σύνθεσης, αλλά το βασικό διάγραμμα της συναρμολόγησης ενός μορίου DNA.
Στην τελική έκδοση, το μόριο DNA του πολυμερούς περιέχει ετερόκυκλους που περιέχουν άζωτο στο πλευρικό πλαίσιο. Τέσσερις τύποι τέτοιων ενώσεων εμπλέκονται στο σχηματισμό του DNA, δύο από αυτούς είναι εξαμελείς κύκλοι και δύο είναι συμπυκνωμένοι κύκλοι, όπου ένας εξαμελής δακτύλιος συντήκεται με έναν πενταμελή (Εικ. 3).
Ρύζι. 3. ΔΟΜΗ ΕΤΕΡΟΚΥΚΛΩΝ ΠΟΥ ΠΕΡΙΕΧΟΥΝ ΑΖΩΤΟ, που αποτελούν μέρος του DNA
Στο δεύτερο στάδιο της συναρμολόγησης, οι ετεροκυκλικές ενώσεις που περιέχουν άζωτο που φαίνονται παραπάνω προστίθενται στις ελεύθερες ομάδες ΟΗ της δεοξυριβόζης, σχηματίζοντας πλευρικά μενταγιόν στην αλυσίδα του πολυμερούς (Εικ. 4).
Τα μόρια αδενίνης, θυμίνης, γουανίνης και κυτοσίνης που συνδέονται με την αλυσίδα του πολυμερούς χαρακτηρίζονται από τα πρώτα γράμματα των ονομάτων των αρχικών ενώσεων, δηλαδή ΕΝΑ, Τ, σολΚαι ντο.
Η ίδια η πολυμερής αλυσίδα του DNA έχει μια ορισμένη κατεύθυνση - όταν κινείται διανοητικά κατά μήκος του μορίου προς την εμπρός και την αντίστροφη κατεύθυνση, οι ίδιες ομάδες που αποτελούν την αλυσίδα συναντώνται στην πορεία σε διαφορετικές αλληλουχίες. Όταν κινείστε προς μια κατεύθυνση από ένα άτομο φωσφόρου στο άλλο, πρώτα κατά μήκος της διαδρομής υπάρχει μια ομάδα CH 2 και στη συνέχεια δύο ομάδες CH (τα άτομα οξυγόνου μπορούν να αγνοηθούν όταν κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση, η ακολουθία αυτών των ομάδων θα είναι). ανάποδα (Εικ. 5) .
Ρύζι. 5. ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΗΣ ΑΛΥΣΙΔΑΣ ΤΟΥ DNA. Κατά την περιγραφή της σειράς με την οποία εναλλάσσονται οι προσαρτημένοι ετερόκυκλοι, συνηθίζεται να χρησιμοποιείται η άμεση κατεύθυνση, δηλαδή από την ομάδα CH 2 προς τις ομάδες CH.
Η ίδια η έννοια της «κατεύθυνσης κλώνου» βοηθά στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο διατάσσονται δύο κλώνοι DNA όταν συνδυάζονται, και επίσης σχετίζεται άμεσα με τη σύνθεση πρωτεϊνών.
Στο επόμενο στάδιο, δύο μόρια DNA συνδυάζονται, τοποθετημένα έτσι ώστε η αρχή και τα άκρα των αλυσίδων να κατευθύνονται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Σε αυτήν την περίπτωση, οι ετερόκυκλοι των δύο αλυσίδων αντικρίζουν ο ένας τον άλλον και βρίσκονται με κάποιο βέλτιστο τρόπο, πράγμα που σημαίνει ότι οι δεσμοί υδρογόνου προκύπτουν μεταξύ ζευγών ομάδων C=O και NH 2, καθώς και μεταξύ є N και NH=, που αποτελούν μέρος των ετερόκυκλων ( εκ. ΔΕΣΜΟΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ). Στο Σχ. Το Σχήμα 6 δείχνει πώς είναι τοποθετημένες οι δύο αλυσίδες η μία σε σχέση με την άλλη και πώς προκύπτουν δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των ετερόκυκλων. Η πιο σημαντική λεπτομέρεια είναι ότι τα ζεύγη που συνδέονται με δεσμούς υδρογόνου είναι αυστηρά καθορισμένα: θραύσμα ΕΝΑαλληλεπιδρά πάντα με Τκαι το θραύσμα σολ– πάντα με ντο. Η αυστηρά καθορισμένη γεωμετρία αυτών των ομάδων οδηγεί στο γεγονός ότι αυτά τα ζεύγη ταιριάζουν μεταξύ τους με εξαιρετική ακρίβεια (όπως ένα κλειδί σε μια κλειδαριά), ένα ζευγάρι ΣΤΟσυνδέονται με δύο δεσμούς υδρογόνου και το ζεύγος G-C- τρεις συνδέσεις.
Οι δεσμοί υδρογόνου είναι αισθητά πιο αδύναμοι από τους συνηθισμένους δεσμούς σθένους, αλλά λόγω του μεγάλου αριθμού τους κατά μήκος ολόκληρου του μορίου του πολυμερούς, η σύνδεση των δύο αλυσίδων γίνεται αρκετά ισχυρή. Ένα μόριο DNA περιέχει δεκάδες χιλιάδες ομάδες ΕΝΑ, Τ, σολΚαι ντοκαι η σειρά της εναλλαγής τους σε ένα μόριο πολυμερούς μπορεί να είναι διαφορετική, για παράδειγμα, σε ένα συγκεκριμένο τμήμα της αλυσίδας η αλληλουχία μπορεί να μοιάζει με: - ΕΝΑ-ΕΝΑ-Τ-σολ-ντο-σολ-ΕΝΑ-Τ-. Δεδομένου ότι οι ομάδες που αλληλεπιδρούν είναι αυστηρά καθορισμένες, το αντίθετο τμήμα του δεύτερου μορίου πολυμερούς θα έχει αναγκαστικά την αλληλουχία - Τ-Τ-ΕΝΑ-ντο-σολ-ντο-Τ-ΕΝΑ-. Έτσι, γνωρίζοντας τη σειρά διάταξης των ετερόκυκλων σε μια αλυσίδα, μπορεί κανείς να υποδείξει την τοποθέτησή τους σε άλλη αλυσίδα. Από αυτή την αντιστοιχία προκύπτει ότι ο συνολικός αριθμός ομάδων σε ένα διπλό μόριο DNA ΕΝΑίσο με τον αριθμό των ομάδων Τκαι τον αριθμό των ομάδων σολ– ποσότητα ντο(Κανόνας Ε. Τσαργκάφ).
Δύο μόρια DNA που συνδέονται με δεσμούς υδρογόνου φαίνονται στο Σχ. 5 με τη μορφή δύο επίπεδων αλυσίδων, αλλά στην πραγματικότητα είναι διατεταγμένα διαφορετικά. Η πραγματική κατεύθυνση στο χώρο όλων των δεσμών, που καθορίζεται από τις γωνίες δεσμών και τις συσταλτικές αλληλεπιδράσεις υδρογόνου, οδηγεί σε μια ορισμένη κάμψη των αλυσίδων πολυμερούς και περιστροφή του ετεροκυκλικού επιπέδου, η οποία φαίνεται περίπου στο πρώτο τμήμα βίντεο του Σχ. 7 χρησιμοποιώντας τον δομικό τύπο. Ολόκληρη η χωρική δομή μπορεί να μεταφερθεί με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια μόνο με τη βοήθεια τρισδιάστατων μοντέλων (Εικ. 7, δεύτερο τμήμα βίντεο). Σε αυτή την περίπτωση, προκύπτει μια περίπλοκη εικόνα, επομένως είναι συνηθισμένο να χρησιμοποιούνται απλοποιημένες εικόνες, οι οποίες χρησιμοποιούνται ιδιαίτερα ευρέως όταν απεικονίζουν τη δομή των νουκλεϊκών οξέων ή πρωτεΐνες. Στην περίπτωση των νουκλεϊκών οξέων, οι αλυσίδες πολυμερών απεικονίζονται με τη μορφή επίπεδων κορδελών και ετεροκυκλικών ομάδων ΕΝΑ, Τ, σολΚαι ντο– με τη μορφή πλαϊνών ράβδων ή απλών πινελιών σθένους, που έχουν διαφορετικά χρώματα ή περιέχουν στο τέλος τους χαρακτηρισμούς των γραμμάτων των αντίστοιχων ετεροκύκλων (Εικ. 7, τρίτο τμήμα βίντεο).
Όταν ολόκληρη η δομή περιστρέφεται γύρω από τον κατακόρυφο άξονα (Εικ. 8), το ελικοειδές σχήμα δύο μορίων πολυμερούς είναι καθαρά ορατό, σαν να τυλίγεται στην επιφάνεια του κυλίνδρου, αυτή είναι η γνωστή διπλή έλικα του DNA.
Με μια τόσο απλοποιημένη εικόνα, οι κύριες πληροφορίες δεν εξαφανίζονται - η σειρά εναλλαγής ομαδοποίησης ΕΝΑ, Τ, σολΚαι ντο, που καθορίζει την ατομικότητα κάθε ζωντανού οργανισμού, όλες οι πληροφορίες καταγράφονται σε έναν κωδικό με τέσσερα γράμματα.
Η δομή της αλυσίδας του πολυμερούς και η υποχρεωτική παρουσία τεσσάρων τύπων ετεροκύκλων είναι ίδια για όλους τους εκπροσώπους του ζωντανού κόσμου. Όλα τα ζώα και τα ανώτερα φυτά έχουν τον αριθμό των ζευγών ΕΝΑ – Τπάντα κάτι περισσότερο από ένα ζευγάρι σολ – ντο. Η διαφορά μεταξύ του DNA των θηλαστικών και του φυτικού DNA είναι ότι τα θηλαστικά έχουν ένα ζευγάρι ΕΝΑ – Τσε όλο το μήκος της αλυσίδας εμφανίζεται ελαφρώς πιο συχνά (περίπου 1,2 φορές) από το ζεύγος σολ – ντο. Στην περίπτωση των φυτών, η προτίμηση για το πρώτο ζευγάρι είναι πολύ πιο έντονη (περίπου 1,6 φορές).
Το DNA είναι ένα από τα μεγαλύτερα μόρια πολυμερούς που είναι γνωστά σήμερα σε ορισμένους οργανισμούς, η πολυμερής του αλυσίδα αποτελείται από εκατοντάδες εκατομμύρια μονάδες. Το μήκος ενός τέτοιου μορίου φτάνει αρκετά εκατοστά, κάτι που είναι πολύ μεγάλη τιμή για μοριακά αντικείμενα. Επειδή Δεδομένου ότι η διατομή του μορίου είναι μόνο 2 nm (1 nm = 10–9 m), οι αναλογίες του μπορούν να συγκριθούν με μια σιδηροδρομική σιδηροδρομική γραμμή μήκους δεκάδων χιλιομέτρων.
Χημικές ιδιότητες του DNA.
Στο νερό, το DNA σχηματίζει παχύρρευστα διαλύματα όταν αυτά τα διαλύματα θερμαίνονται στους 60 ° C ή όταν εκτίθενται σε αλκάλια, η διπλή έλικα διασπάται σε δύο συστατικές αλυσίδες, οι οποίες μπορούν και πάλι να ενωθούν εάν επιστρέψουμε στις αρχικές συνθήκες. Υπό ελαφρώς όξινες συνθήκες, λαμβάνει χώρα υδρόλυση, με αποτέλεσμα τα θραύσματα –P-O-CH2 να διασπώνται εν μέρει με το σχηματισμό θραυσμάτων –P-OH και HO-CH2, αντίστοιχα, με αποτέλεσμα το σχηματισμό μονομερών, διμερών ( διπλά) ή τριμερή (τριπλά) οξέα, τα οποία είναι σύνδεσμοι από τους οποίους συναρμολογήθηκε η αλυσίδα του DNA (Εικ. 9).
Ρύζι. 9. ΘΡΑΜΜΑΤΑ ΠΟΥ ΛΗΦΘΗΚΑΝ ΜΕ ΔΙΧΑΣΗ DNA.
Η βαθύτερη υδρόλυση καθιστά δυνατό τον διαχωρισμό των θέσεων δεοξυριβόζης από το φωσφορικό οξύ, καθώς και την ομάδα σολαπό δεοξυριβόζη, δηλ., αποσυναρμολογήστε το μόριο DNA στα συστατικά του συστατικά με περισσότερες λεπτομέρειες. Κάτω από τη δράση ισχυρών οξέων (εκτός από την αποσύνθεση των θραυσμάτων –P(O)-O-CH 2 -), οι ομάδες διαχωρίζονται επίσης ΕΝΑΚαι σολ. Η δράση άλλων αντιδραστηρίων (για παράδειγμα, υδραζίνης) καθιστά δυνατό τον διαχωρισμό ομάδων ΤΚαι ντο. Μια πιο λεπτή διάσπαση του DNA σε συστατικά πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας ένα βιολογικό παρασκεύασμα - δεοξυριβονουκλεάση, που απομονώνεται από το πάγκρεας (τέλος - αζαδείχνει πάντα ότι η ουσία είναι ένας καταλύτης βιολογικής προέλευσης - ένα ένζυμο). Το αρχικό μέρος του ονόματος είναι δεοξυριβονουκλεάση- υποδεικνύει ποια ένωση διασπά αυτό το ένζυμο. Όλες αυτές οι μέθοδοι διάσπασης του DNA επικεντρώνονται, πρώτα απ 'όλα, σε μια λεπτομερή ανάλυση της σύνθεσής του.
Η πιο σημαντική πληροφορία που περιέχεται σε ένα μόριο DNA είναι η σειρά εναλλαγής των ομάδων ΕΝΑ, Τ, σολΚαι ντο, λαμβάνεται χρησιμοποιώντας ειδικά ανεπτυγμένες τεχνικές. Για το σκοπό αυτό, έχει δημιουργηθεί ένα ευρύ φάσμα ενζύμων που βρίσκουν μια αυστηρά καθορισμένη αλληλουχία στο μόριο του DNA, για παράδειγμα, ντο-Τ-σολ-ντο-ΕΝΑ-σολ(καθώς και η αντίστοιχη ακολουθία στην απέναντι αλυσίδα σολ-ΕΝΑ-ντο-σολ-Τ-ντο) και απομονώστε το από την αλυσίδα. Αυτή η ιδιότητα κατέχεται από το ένζυμο Pst I (εμπορική ονομασία, σχηματίζεται από το όνομα αυτού του μικροοργανισμού Π rovidencia αγ uartii, από το οποίο λαμβάνεται αυτό το ένζυμο). Όταν χρησιμοποιείτε άλλο ένζυμο Pal I, είναι δυνατό να βρεθεί η αλληλουχία σολ-σολ-ντο-ντο. Στη συνέχεια, συγκρίνονται τα αποτελέσματα που λαμβάνονται από τη δράση ενός ευρέος φάσματος διαφορετικών ενζύμων σύμφωνα με ένα προ-αναπτυγμένο σχήμα, ως αποτέλεσμα είναι δυνατός ο προσδιορισμός της αλληλουχίας τέτοιων ομάδων σε ένα συγκεκριμένο τμήμα DNA. Τώρα τέτοιες τεχνικές έχουν φτάσει στο στάδιο της ευρείας χρήσης, χρησιμοποιούνται σε μια μεγάλη ποικιλία τομέων μακριά από την επιστημονική βιοχημική έρευνα, για παράδειγμα, για τον εντοπισμό υπολειμμάτων ζωντανών οργανισμών ή για τον καθορισμό του βαθμού σχέσης.
Δομή RNA
θυμίζει από πολλές απόψεις DNA, η διαφορά είναι ότι στην κύρια αλυσίδα τα θραύσματα φωσφορικού οξέος εναλλάσσονται με ριβόζη και όχι με δεοξυριβόζη (Εικ.). Η δεύτερη διαφορά είναι ότι ένας ετερόκυκλος ουρακίλης ( U) αντί για θυμίνη ( Τ), άλλοι ετερόκυκλοι ΕΝΑ, σολΚαι ντοτο ίδιο με το DNA. Η ουρακίλη διαφέρει από τη θυμίνη απουσία μεθυλικής ομάδας συνδεδεμένης στον δακτύλιο, στο Σχ. 10 αυτή η ομάδα μεθυλίου επισημαίνεται με κόκκινο χρώμα.
Ρύζι. 10. ΔΙΑΦΟΡΑ ΤΟ ΘΥΜΙΝΙ ΑΠΟ ΤΗΝ ΟΥΡΑΚΙΛΗ– η απουσία μεθυλικής ομάδας στη δεύτερη ένωση, που επισημαίνεται με κόκκινο χρώμα στη θυμίνη.
Ένα θραύσμα ενός μορίου RNA φαίνεται στο Σχ. 11, σειρά ομαδοποιήσεων ΕΝΑ, U, σολΚαι ντο, και η ποσοτική τους αναλογία μπορεί να είναι διαφορετική.
Εικ. 11. ΘΡΑΣΜΑ ΜΟΡΙΟΥ RNA. Η κύρια διαφορά από το DNA είναι η παρουσία ομάδων ΟΗ στη ριβόζη (κόκκινο) και ένα θραύσμα ουρακίλης (μπλε).
Η πολυμερής αλυσίδα του RNA είναι περίπου δέκα φορές μικρότερη από αυτή του DNA. Μια επιπλέον διαφορά είναι ότι τα μόρια RNA δεν συνδυάζονται σε διπλές έλικες που αποτελούνται από δύο μόρια, αλλά συνήθως υπάρχουν ως ένα μόνο μόριο, το οποίο σε ορισμένες περιοχές μπορεί να σχηματίσει δίκλωνα ελικοειδή θραύσματα με τον εαυτό του, εναλλάσσοντας με γραμμικές τομές. Στις ελικοειδείς περιοχές, η αλληλεπίδραση των ζευγών παρατηρείται τόσο αυστηρά όσο και στο DNA. Ζεύγη που συνδέονται με δεσμούς υδρογόνου και σχηματίζουν μια έλικα ( ΕΝΑ-UΚαι σολ-ντο), εμφανίζονται σε εκείνες τις περιοχές όπου η διάταξη των ομάδων αποδεικνύεται ευνοϊκή για μια τέτοια αλληλεπίδραση (Εικ. 12).
Για τη συντριπτική πλειοψηφία των ζωντανών οργανισμών, η ποσοτική περιεκτικότητα σε ζεύγη ΕΝΑ-Uπερισσότερο από σολ-ντο, στα θηλαστικά 1,5–1,6 φορές, στα φυτά – 1,2 φορές. Υπάρχουν διάφοροι τύποι RNA, που έχουν διαφορετικούς ρόλους σε έναν ζωντανό οργανισμό.
Χημικές ιδιότητες του RNA
μοιάζουν με τις ιδιότητες του DNA, ωστόσο, η παρουσία πρόσθετων ομάδων ΟΗ στη ριβόζη και η χαμηλότερη (σε σύγκριση με το DNA) περιεχόμενο των σταθεροποιημένων ελικοειδών περιοχών καθιστά τα μόρια RNA χημικά πιο ευάλωτα. Υπό τη δράση οξέων ή αλκαλίων, τα κύρια θραύσματα της αλυσίδας πολυμερούς P(O)-O-CH2 υδρολύονται εύκολα, ομάδες ΕΝΑ, U, σολΚαι ντοσπάνε πιο εύκολα. Εάν είναι απαραίτητο να ληφθούν μονομερή θραύσματα (όπως αυτά στο Σχ. 9), ενώ διατηρούνται χημικά συνδεδεμένοι ετερόκυκλοι, χρησιμοποιούνται ευαίσθητα ένζυμα που ονομάζονται ριβοκουλεάσες.
Συμμετοχή DNA και RNA στη σύνθεση πρωτεϊνών
– μία από τις κύριες λειτουργίες των νουκλεϊκών οξέων. Οι πρωτεΐνες είναι τα πιο σημαντικά συστατικά κάθε ζωντανού οργανισμού. Οι μύες, τα εσωτερικά όργανα, ο οστικός ιστός, το δέρμα και τα μαλλιά των θηλαστικών αποτελούνται από πρωτεΐνες. Πρόκειται για πολυμερείς ενώσεις που συναρμολογούνται σε έναν ζωντανό οργανισμό από διάφορα αμινοξέα. Σε ένα τέτοιο συγκρότημα, τα νουκλεϊκά οξέα διαδραματίζουν έναν έλεγχο, η διαδικασία λαμβάνει χώρα σε δύο στάδια, και σε καθένα από αυτά ο καθοριστικός παράγοντας είναι ο αμοιβαίος προσανατολισμός των ετεροκύκλων που περιέχουν άζωτο του DNA και του RNA.
Το κύριο καθήκον του DNA είναι να αποθηκεύει καταγεγραμμένες πληροφορίες και να τις παρέχει τη στιγμή που ξεκινά η πρωτεϊνοσύνθεση. Από αυτή την άποψη, η αυξημένη χημική σταθερότητα του DNA σε σύγκριση με το RNA είναι κατανοητή. Η φύση έχει φροντίσει να κρατά τις βασικές πληροφορίες όσο πιο απαραβίαστες γίνεται.
Στο πρώτο στάδιο, τμήμα της διπλής έλικας ανοίγει, τα απελευθερωμένα κλαδιά αποκλίνουν και σε ομάδες ΕΝΑ, Τ, σολΚαι ντο, το οποίο αποδείχθηκε ότι ήταν προσβάσιμο, ξεκινά η σύνθεση του RNA, που ονομάζεται αγγελιοφόρο RNA, καθώς, ως αντίγραφο από τη μήτρα, αναπαράγει με ακρίβεια τις πληροφορίες που καταγράφονται στο αποκαλυπτόμενο τμήμα DNA. Απέναντι από την ομάδα ΕΝΑ, που ανήκει στο μόριο DNA, υπάρχει ένα θραύσμα του μελλοντικού αγγελιοφόρου RNA που περιέχει την ομάδα U, όλες οι άλλες ομάδες βρίσκονται απέναντι η μία από την άλλη, ακριβώς σύμφωνα με το πώς συμβαίνει αυτό κατά τον σχηματισμό μιας διπλής έλικας DNA (Εικ. 13).
Σύμφωνα με αυτό το σχήμα, σχηματίζεται ένα πολυμερές μόριο αγγελιαφόρου RNA, που περιέχει αρκετές χιλιάδες μονάδες μονομερών.
Στο δεύτερο στάδιο, το πρότυπο DNA μετακινείται από τον πυρήνα του κυττάρου στον περιπυρηνικό χώρο - το κυτταρόπλασμα. Το προκύπτον αγγελιαφόρο RNA συνοδεύεται από τα λεγόμενα RNA μεταφοράς, τα οποία μεταφέρουν (μεταφέρουν) διάφορα αμινοξέα. Κάθε RNA μεταφοράς, φορτωμένο με ένα συγκεκριμένο αμινοξύ, προσεγγίζει μια αυστηρά καθορισμένη περιοχή του αγγελιοφόρου RNA, η επιθυμητή θέση ανιχνεύεται χρησιμοποιώντας την ίδια αρχή της αλληλοαντιστοιχίας ομάδας ΕΝΑ
Μια σημαντική λεπτομέρεια είναι ότι η προσωρινή αλληλεπίδραση μεταξύ αγγελιοφόρου και RNA μεταφοράς εμφανίζεται μόνο σε τρεις ομάδες, για παράδειγμα, την τριάδα ντο-ντο-Uοξύ μήτρας, μόνο το αντίστοιχο τριπλό μπορεί να είναι κατάλληλο σολ-σολ-ΕΝΑμεταφέρει RNA, το οποίο σίγουρα φέρει μαζί του το αμινοξύ γλυκίνη (Εικ. 14). Το ίδιο και για την τριάδα σολ-ΕΝΑ-Uμόνο ένα σετ μπορεί να πλησιάσει ντο-U-ΕΝΑ, μεταφέροντας μόνο το αμινοξύ λευκίνη. Έτσι, η αλληλουχία των ομάδων στο αγγελιαφόρο RNA υποδεικνύει με ποια σειρά πρέπει να συνδυαστούν τα αμινοξέα. Επιπλέον, το σύστημα περιέχει πρόσθετους ρυθμιστικούς κανόνες σε κωδικοποιημένη μορφή, ορισμένες αλληλουχίες από τρεις ομάδες αγγελιαφόρου RNA υποδεικνύουν ότι η σύνθεση πρωτεϊνών θα πρέπει να σταματήσει σε αυτό το σημείο, δηλ. το μόριο έχει φτάσει στο απαιτούμενο μήκος.
Εμφανίζεται στο Σχ. 14 η πρωτεϊνική σύνθεση λαμβάνει χώρα με τη συμμετοχή ενός ακόμη - του τρίτου τύπου οξέων RNA είναι μέρος των ριβοσωμάτων και ως εκ τούτου ονομάζονται ριβοσωμικά. Το ριβόσωμα, το οποίο είναι ένα σύνολο ορισμένων πρωτεϊνών ριβοσωμικού RNA, εξασφαλίζει την αλληλεπίδραση του αγγελιοφόρου και του RNA μεταφοράς, παίζοντας το ρόλο ενός ιμάντα μεταφοράς που κινεί το αγγελιαφόρο RNA ένα βήμα μετά τη σύνδεση δύο αμινοξέων.
Η κύρια έννοια του σχήματος δύο σταδίων που φαίνεται στο Σχ. 13 και 14, είναι ότι η αλυσίδα πολυμερούς ενός μορίου πρωτεΐνης συναρμολογείται από διάφορα αμινοξέα με την προβλεπόμενη σειρά και αυστηρά σύμφωνα με το σχέδιο που γράφτηκε σε κωδικοποιημένη μορφή σε ένα συγκεκριμένο τμήμα DNA. Έτσι, το DNA αντιπροσωπεύει το σημείο εκκίνησης ολόκληρης αυτής της προγραμματισμένης διαδικασίας.
Στη διαδικασία της ζωής, οι πρωτεΐνες καταναλώνονται συνεχώς και ως εκ τούτου αναπαράγονται τακτικά σύμφωνα με το περιγραφόμενο σχήμα, ολόκληρη η σύνθεση ενός μορίου πρωτεΐνης, που αποτελείται από εκατοντάδες αμινοξέα, λαμβάνει χώρα σε έναν ζωντανό οργανισμό μέσα σε περίπου ένα λεπτό.
Οι πρώτες μελέτες των νουκλεϊκών οξέων πραγματοποιήθηκαν στο δεύτερο μισό του 19ου αιώνα, η κατανόηση ότι όλες οι πληροφορίες για έναν ζωντανό οργανισμό είναι κρυπτογραφημένες στο DNA ήρθε στα μέσα του 20ου αιώνα, η δομή της διπλής έλικας του DNA καθιερώθηκε στο 1953 από τους J. Watson και F. Crick βάσει δεδομένων ανάλυσης περίθλασης ακτίνων Χ, η οποία αναγνωρίζεται ως το μεγαλύτερο επιστημονικό επίτευγμα του 20ου αιώνα. Στα μέσα της δεκαετίας του '70 του 20ού αιώνα. Εμφανίστηκαν μέθοδοι για την αποκρυπτογράφηση της λεπτομερούς δομής των νουκλεϊκών οξέων και στη συνέχεια αναπτύχθηκαν μέθοδοι για τη στοχευμένη σύνθεσή τους. Σήμερα, δεν είναι ξεκάθαρες όλες οι διεργασίες που συμβαίνουν σε ζωντανούς οργανισμούς που περιλαμβάνουν νουκλεϊκά οξέα, και σήμερα αυτός είναι ένας από τους πιο εντατικά αναπτυσσόμενους τομείς της επιστήμης.
Μιχαήλ Λεβίτσκι