Ministria e Arsimit dhe Shkencës e Federatës Ruse
Institucioni Arsimor Autonom Shtetëror Federal
Arsimi i lartë
"UNIVERSITETI KOMBËTAR TEKNOLOGJIK KËRKIMOR I KAZANIT"
INSTITUTI I INXHINIERISË USHQIMORE
DEPARTAMENTI I BIOTEKNOLOGJISË USHQIMORE
ABSTRAKT MBI TEMA
ACIDET NUKLEIKE. ADN dhe ARN
Plotësuar nga: Radenko V.
Grupi 625 M-52
Acidet nukleike - komponimet organike natyrore me molekulare të lartë që sigurojnë ruajtjen dhe transmetimin e informacionit trashëgues (gjenetik) në organizmat e gjallë. Çdo organizëm i gjallë përmban 2 lloje të acideve nukleike: acidin ribonukleik (ARN) dhe acidin deoksiribonukleik (ADN). Pesha molekulare e acidit nukleik më të vogël të njohur, ARN transferuese (tRNA), është afërsisht 25 kDa. ADN-ja është molekula më e madhe e polimerit; pesha e tyre molekulare varion nga 1.000 deri në 1.000.000 kDa. ADN dhe ARN përbëhen nga njësi monomerike - nukleotide, prandaj acidet nukleike quhen polinukleotide.
Struktura e nukleotideve
Çdo nukleotid përmban 3 përbërës kimikisht të ndryshëm: një bazë azotike heterociklike, një monosakarid (pentozë) dhe një mbetje të acidit fosforik. Në varësi të numrit të mbetjeve të acidit fosforik të pranishëm në molekulë, dallohen monofosfatet nukleozide (NMP), difosfatet nukleozide (NDP) dhe trifosfatet nukleozide (NTP) (Fig. 4-1). Acidet nukleike përmbajnë dy lloje të bazave azotike: purine - adenina(A), guaninë(G) dhe pirimidina - citozinë(ME), timinë(T) dhe uracil(U). Numri i atomeve në bazat shkruhet brenda ciklit (Fig. 4-2). Pentozat në nukleotide janë ose ribozë (në ARN) ose deoksiribozë (në ADN). Për të dalluar numrin e atomeve në pentoza nga numërimi i atomeve në baza, regjistrimi bëhet në pjesën e jashtme të ciklit dhe numrit i shtohet një shenjë e thjeshtë (") - 1", 2", 3", 4" dhe 5" (Fig. 4-3). Pentoza lidhet me bazën Lidhja N-glikozide, i formuar nga atomi C 1 i pentozës (riboza ose deoksiriboza) dhe atomi N 1 i pirimidinës ose atomi N 9 i purinës (Fig. 4-4). Nukleotidet në të cilat pentoza përfaqësohet nga riboza quhen ribonukleotide dhe acidet nukleike të ndërtuara nga ribonukleotidet quhen acide ribonukleike ose ARN. Acidet nukleike, monomerët e të cilëve përfshijnë deoksiribozën quhen acide deoksiribonukleike ose ADN. Sipas strukturës së tyre, acidet nukleike klasifikohen si
Oriz. 4-1. Nukleozidet mono-, di- dhe trifosfatet e adenozinës. Nukleotidet janë estere fosfori të nukleozideve. Mbetja e acidit fosforik është ngjitur në atomin e karbonit 5" të pentozës (5" lidhje fosfoester).
Oriz. 4-2. Bazat purine dhe pirimidine.
Oriz. 4-3. Pentoza. Ekzistojnë 2 lloje - β-D-riboza në përbërjen e nukleotideve të ARN-së dhe β-D-2-deoksiriboza në përbërjen e nukleotideve të ADN-së.
klasa e polimereve lineare. Shtylla kurrizore e acidit nukleik ka të njëjtën strukturë përgjatë gjithë gjatësisë së molekulës dhe përbëhet nga grupe të alternuara - pentozë-fosfat-pentozë- (Fig. 4-5). Grupet e ndryshueshme në vargjet polinukleotide janë bazat azotike - purinat dhe pirimidinat. Molekulat e ARN-së përfshijnë adeninë (A), uracil (U), guaninë (G) dhe citozinë (C), ndërsa ADN-ja përmban adeninë (A), timinë (T), guaninë (G) dhe citozinë (C). Struktura unike dhe individualiteti funksional i molekulave të ADN-së dhe ARN-së përcaktohen nga struktura e tyre primare - sekuenca e bazave azotike në zinxhirin polinukleotid.
Oriz. 4-4. Nukleotidet purine dhe pirimidine.
Oriz. 4-5. Fragment i një zinxhiri të ADN-së.
B. Struktura e acidit deoksiribonukleik (ADN)
Struktura primare e ADN-së - renditja e alternimit të monofosfateve të deoksiribonukleozideve (dNMP) në vargun polinukleotid. Çdo grup fosfat në zinxhirin polinukleotid, me përjashtim të mbetjes së fosforit në skajin 5" të molekulës, merr pjesë në formimin e dy lidhjeve esterike që përfshijnë atomet e karbonit 3" dhe 5" të dy deoksiribozave fqinje, pra lidhja ndërmjet monomerët caktohen 3", 5" - fosfodiester Nukleotidet terminale të ADN-së dallohen sipas strukturës: në skajin 5" ka një grup fosfat, dhe në fundin 3" të zinxhirit ka një grup të lirë OH skajet quhen skajet 5" dhe 3" Sekuenca lineare e deoksiribonukleotideve në zinxhirin e polimerit të ADN-së zakonisht shkurtohet duke përdorur një kod të vetëm shkronjash, për shembull -A-G-C-T-T-A-C-A- nga 5"-a.
Çdo monomer i acidit nukleik përmban një mbetje të acidit fosforik. Në pH 7 grupi fosfat jonizohet plotësisht, pra in vivo Acidet nukleike ekzistojnë si polianione (kanë ngarkesa të shumta negative). Mbetjet e pentozës gjithashtu shfaqin veti hidrofilike. Bazat e azotit janë pothuajse të patretshme në ujë, por disa atome të unazave të purinës dhe pirimidinës janë në gjendje të formojnë lidhjet hidrogjenore.
Struktura dytësore e ADN-së. Në vitin 1953, J. Watson dhe F. Crick propozuan një model të strukturës hapësinore të ADN-së. Sipas këtij modeli, molekula e ADN-së ka formën e një spiraleje, e formuar nga dy zinxhirë polinukleotidësh të përdredhur në lidhje me njëri-tjetrin dhe rreth një boshti të përbashkët. Spiralja e dyfishtë e djathta, zinxhir polinukleotid në të antiparalele(Fig. 4-6), d.m.th. nëse njëri prej tyre është i orientuar në drejtimin 3"→5", atëherë i dyti është në drejtimin 5"→3". Prandaj, në çdo fund
Oriz. 4-6. spirale e dyfishtë e ADN-së.
Molekulat e ADN-së përbëhen nga dy vargje antiparalele me një sekuencë nukleotide plotësuese. Zinxhirët janë të përdredhur në lidhje me njëri-tjetrin në një spirale të djathtë në mënyrë që të ketë afërsisht 10 palë nukleotide në çdo kthesë të molekulës. Të gjitha bazat e vargjeve të ADN-së janë të vendosura brenda spirales së dyfishtë, dhe shtylla kurrizore e fosfatit pentozë ndodhet jashtë. Zinxhirët polinukleotid mbahen në lidhje me njëri-tjetrin për shkak të lidhjeve hidrogjenore midis bazave azotike plotësuese purine dhe pirimidine A dhe T (dy lidhje) dhe midis G dhe C (tre lidhje) (Fig. 4-7). Me këtë kombinim, çdo çift përmban tre unaza, kështu që madhësia e përgjithshme e këtyre çifteve bazë është e njëjtë përgjatë gjithë gjatësisë së molekulës.
Oriz. 4-7. Çiftet e bazave purine-pirimidine në ADN.
Lidhjet hidrogjenore me kombinime të tjera bazash në një palë janë të mundshme, por ato janë shumë më të dobëta. Sekuenca nukleotide e një zinxhiri është plotësisht plotësuese me sekuencën nukleotide të zinxhirit të dytë. Prandaj, sipas rregullit të Chargaff (Erwin Chargaff në 1951 vendosi modele në raportin e bazave purine dhe pirimidine në një molekulë të ADN-së), numri i bazave purine (A + G) është i barabartë me numrin e bazave pirimidine (T + C) . Bazat plotësuese grumbullohen në thelbin e spirales. Midis bazave të një molekule me dy zinxhirë në një pirg, ndërveprimet hidrofobike, stabilizimi i spirales së dyfishtë.
Kjo strukturë përjashton kontaktin e mbetjeve të azotit me ujin, por pirgu i bazave nuk mund të jetë absolutisht vertikal. Çiftet e bazës zhvendosen pak nga njëra-tjetra. Në strukturën e formuar dallohen dy brazda - një e madhe me gjerësi 2,2 nm dhe një e vogël me gjerësi 1,2 nm. Bazat e azotit në zonën e brazdave kryesore dhe të vogla ndërveprojnë me proteina specifike të përfshira në organizimin e strukturës së kromatinës.
Struktura terciare e ADN-së (mbyllja e ADN-së)Çdo molekulë e ADN-së paketohet në një kromozom të veçantë. Qelizat diploide njerëzore përmbajnë 46 kromozome. Gjatësia totale e ADN-së së të gjitha kromozomeve në një qelizë është 1.74 m, por ajo është e paketuar në një bërthamë, diametri i së cilës është miliona herë më i vogël. Për të lokalizuar ADN-në në bërthamën e qelizës, duhet të formohet një strukturë shumë kompakte. Ngjeshja dhe mbimbështjellja e ADN-së kryhen duke përdorur një sërë proteinash që ndërveprojnë me sekuenca të caktuara në strukturën e ADN-së. Të gjitha proteinat që lidhen me ADN-në eukariote mund të ndahen në 2 grupe: Proteinat gisgon dhe johistone. Kompleksi i proteinave me ADN-në bërthamore të qelizave quhet kromatinë.
Histonet- proteina me peshë molekulare 11-21 kDa, që përmbajnë shumë mbetje arginine dhe lizine. Për shkak të ngarkesës së tyre pozitive, histonet formojnë lidhje jonike me grupe fosfate të ngarkuara negativisht të vendosura në pjesën e jashtme të spirales së dyfishtë të ADN-së. Ekzistojnë 5 lloje të histoneve. Katër histone H2A, H2B, H3 dhe H4 formojnë një kompleks proteinik oktamerik (H2A, H2B, H3, H4) 2, i cili quhet "bërthamë nukleozomale"(nga anglishtja bërthama nukleozome). Molekula e ADN-së "erëzon" mbi sipërfaqen e oktamerit të histonit, duke plotësuar 1.75 rrotullime (rreth 146 çifte nukleotide). Ky kompleks i proteinave histonike me ADN shërben si njësia kryesore strukturore e kromatinës, quhet "nukleozome". ADN-ja që lidh grimcat nukleozomale quhet ADN lidhëse. Mesatarisht, ADN-ja lidhëse është 60 palë mbetje nukleotide. Molekulat e histonit H1 lidhen me ADN-në në rajonet ndërnukleozomale (sekuencat lidhëse) dhe mbrojnë këto rajone nga veprimi i nukleazave (Fig. 4-8).
Oriz. 4-8. Struktura nukleozome.
Tetë molekula histoni (H2A, H2B, H3, H4) 2 përbëjnë bërthamën e nukleozomes, rreth së cilës ADN-ja formon afërsisht 1.75 rrotullime. ADN-ja. Mbetjet e aminoacideve të lizinës, argininës dhe grupeve amino terminale të histoneve mund të modifikohen: acetilohen, fosforilohen, metilohen ose ndërveprojnë me proteinën ubiquitin (proteina johistone). Modifikimet mund të jenë të kthyeshme ose të pakthyeshme ato ndryshojnë ngarkesën dhe konformimin e histoneve, dhe kjo ndikon në ndërveprimin e histoneve me njëri-tjetrin dhe me ADN-në. Aktiviteti i enzimave përgjegjëse për modifikimet është i rregulluar dhe varet nga faza e ciklit qelizor. Modifikimet bëjnë të mundur rirregullimet konformacionale të kromatinës.
Proteinat e kromatinës jo-histone. Bërthama e një qelize eukariote përmban qindra proteina të ndryshme jo-histone që lidhen me ADN-në. Çdo proteinë është plotësuese e një sekuence specifike të nukleotideve të ADN-së (vend i ADN-së). Ky grup përfshin familjen e proteinave specifike të zonës të tipit "zink gisht" (shih seksionin 1). Çdo "gisht zinku" njeh një vend specifik të përbërë nga 5 çifte nukleotide. Një familje tjetër e proteinave specifike të vendit janë homodimerët. Fragmenti i një proteine të tillë në kontakt me ADN-në ka një strukturë spirale-kthesë-helix (shih seksionin 1). Grupi i proteinave strukturore dhe rregullatore që lidhen vazhdimisht me kromatinë përfshin proteinat me lëvizshmëri të lartë ( Proteinat HMG- nga anglishtja, proteina xhel me lëvizshmëri të lartë). Ato kanë një peshë molekulare më të vogël se 30 kDa dhe karakterizohen nga një përmbajtje e lartë e aminoacideve të ngarkuara. Për shkak të peshës së tyre të ulët molekulare, proteinat HMG kanë lëvizshmëri të lartë gjatë elektroforezës së xhelit të poliakrilamidit. Proteinat johistone përfshijnë gjithashtu enzimat e riprodhimit, transkriptimit dhe riparimit. Me pjesëmarrjen e proteinave strukturore, rregullatore dhe enzimave të përfshira në sintezën e ADN-së dhe ARN-së, vargu i nukleozomeve shndërrohet në një kompleks proteinash dhe ADN-je shumë të kondensuar. Struktura që rezulton është 10,000 herë më e shkurtër se molekula origjinale e ADN-së.
Ekzistojnë tre makromolekula kryesore në një organizëm të gjallë: proteinat dhe dy lloje të acideve nukleike. Falë tyre, ruhet aktiviteti jetësor dhe funksionimi i duhur i të gjithë trupit. Çfarë janë acidet nukleike? Pse janë të nevojshme? Më shumë për këtë më vonë në artikull.
Informacione të përgjithshme
Acidi nukleik është një biopolimer, një përbërës organik me molekularitet të lartë, i cili formohet nga mbetjet nukleotide. Transmetimi i të gjithë informacionit gjenetik nga brezi në brez është detyra kryesore e kryer nga acidet nukleike. Prezantimi më poshtë do të shpjegojë këtë koncept në më shumë detaje.
Historia e studimit
Nukleotidi i parë i studiuar u izolua nga muskujt e gjedhit në 1847 dhe u quajt "acidi inozinik". Si rezultat i studimit të strukturës kimike, u zbulua se është një riboside-5'-fosfat dhe përmban një lidhje N-glikozide Në 1868, u zbulua një substancë e quajtur "nukleinë". Ajo u zbulua nga kimisti zviceran Friedrich Miescher gjatë hulumtimit mbi disa substanca biologjike. Kjo substancë përfshinte fosfor. Përbërja kishte veti acidike dhe nuk i nënshtrohej dekompozimit nën ndikimin e enzimave proteolitike.
Substanca mori formulën C29H49N9O22P3 Supozimi për pjesëmarrjen e nukleinës në procesin e transmetimit të informacionit trashëgues u parashtrua si rezultat i zbulimit të ngjashmërisë së përbërjes së saj kimike me kromatinën. Ky element është përbërësi kryesor i kromozomeve. Termi "acid nukleik" u prezantua për herë të parë në 1889 nga Richard Altmann. Ishte ai që u bë autori i metodës për prodhimin e këtyre substancave pa papastërti proteinike Gjatë studimit të hidrolizës alkaline të acideve nukleike, Levin dhe Jacob identifikuan përbërësit kryesorë të produkteve të këtij procesi. Ata rezultuan të ishin nukleotide dhe nukleozide. Në vitin 1921, Lewin propozoi që ADN-ja ka një strukturë tetranukleotide. Megjithatë, kjo hipotezë nuk u konfirmua dhe doli të jetë e gabuar.
Klasifikimi
Acidet nukleike vijnë në dy lloje: ADN dhe ARN. Prania e tyre gjendet në qelizat e të gjithë organizmave të gjallë. ADN-ja gjendet kryesisht në bërthamën e qelizës. ARN gjendet në citoplazmë. Në vitin 1935, gjatë fragmentimit të butë të ADN-së, u përftuan 4 nukleotide që formojnë ADN-në. Këta komponentë paraqiten në gjendje kristalore. Në vitin 1953, Watstone dhe Crick përcaktuan se ADN-ja ka një spirale të dyfishtë.
Metodat e përzgjedhjes
Janë zhvilluar metoda të ndryshme për marrjen e komponimeve nga burimet natyrore. Kushtet kryesore të këtyre metodave janë ndarja efektive e acideve nukleike dhe proteinave, fragmentimi më i vogël i substancave të marra gjatë procesit. Sot, metoda klasike përdoret gjerësisht. Thelbi i kësaj metode është shkatërrimi i mureve të materialit biologjik dhe trajtimi i tyre i mëtejshëm me një detergjent anionik. Rezultati është një precipitat i proteinave, ndërsa acidet nukleike mbeten në tretësirë. Përdoret gjithashtu një metodë tjetër. Në këtë rast, acidet nukleike mund të precipitohen në një gjendje xhel duke përdorur etanol dhe kripë. Duhet treguar pak kujdes kur e bëni këtë. Në veçanti, etanoli duhet të shtohet me shumë kujdes në tretësirën e kripur për të marrë një precipitat xhel. Në çfarë përqendrimi lirohet acidi nukleik, cilat papastërti janë të pranishme në të, mund të përcaktohet me metodën spektrofotometrike. Acidet nukleike degradohen lehtësisht nga nukleazat, të cilat janë një klasë e veçantë enzimash. Me një izolim të tillë, është e nevojshme që pajisjet laboratorike t'i nënshtrohen trajtimit të detyrueshëm me frenues. Këto përfshijnë, për shembull, një frenues DEPC, i cili përdoret në izolimin e ARN-së.
Vetitë fizike
Acidet nukleike kanë tretshmëri të mirë në ujë, por janë pothuajse të pazgjidhshëm në përbërjet organike. Përveç kësaj, ato janë veçanërisht të ndjeshme ndaj temperaturës dhe niveleve të pH. Molekulat e acidit nukleik me peshë të lartë molekulare mund të fragmentohen nga nukleaza nën ndikimin e forcave mekanike. Këto përfshijnë përzierjen e tretësirës dhe tundjen e saj.
Acidet nukleike. Struktura dhe funksionet
Format polimerike dhe monomerike të përbërjeve në fjalë gjenden në qeliza. Format polimerike quhen polinukleotide. Në këtë formë, zinxhirët nukleotidikë janë të lidhur nga një mbetje e acidit fosforik. Për shkak të përmbajtjes së dy llojeve të molekulave heterociklike të quajtura ribozë dhe deoksiribozë, acidet janë përkatësisht ribonukleike dhe deoksiribonukleike. Me ndihmën e tyre, ndodh ruajtja, transmetimi dhe zbatimi i informacionit trashëgues. Nga format monomerike të acideve nukleike, më e popullarizuara është acidi adenozinë trifosforik. Ai është i përfshirë në sinjalizimin dhe sigurimin e rezervave të energjisë në qelizë.
ADN
Acidi deoksiribonukleik është një makromolekulë. Me ndihmën e tij, ndodh procesi i transferimit dhe zbatimit të informacionit gjenetik. Ky informacion është i nevojshëm për zhvillimin dhe funksionimin e një organizmi të gjallë. Tek kafshët, bimët dhe kërpudhat, ADN-ja është pjesë e kromozomeve të vendosura në bërthamën e qelizës dhe gjendet gjithashtu në mitokondri dhe plastide. Në bakteret dhe arkeat, molekula e acidit deoksiribonukleik ngjitet në membranën qelizore nga brenda. Në organizma të tillë, kryesisht janë të pranishme molekula rrethore të ADN-së. Ata quhen "plazmide". Sipas strukturës së tij kimike, acidi deoksiribonukleik është një molekulë polimeri e përbërë nga nukleotide. Këta përbërës, nga ana tjetër, përmbajnë një bazë azotike, sheqer dhe një grup fosfat. Për shkak të dy elementëve të fundit krijohet një lidhje midis nukleotideve, duke krijuar zinxhirë. Në thelb, makromolekula e ADN-së paraqitet në formën e një spiraleje me dy zinxhirë.
ARN
Acidi ribonukleik është një zinxhir i gjatë i përbërë nga nukleotide. Ato përmbajnë një bazë azotike, sheqer ribozë dhe një grup fosfat. Informacioni gjenetik është i koduar duke përdorur një sekuencë të nukleotideve. ARN përdoret për të programuar sintezën e proteinave. Acidi ribonukleik krijohet gjatë transkriptimit. Ky është procesi i sintezës së ARN-së në një shabllon të ADN-së. Ndodh me pjesëmarrjen e enzimave të veçanta. Ato quhen ARN polimeraza. Pas kësaj, acidet ribonukleike shabllon marrin pjesë në procesin e përkthimit. Kështu ndodh sinteza e proteinave në matricën e ARN-së. Ribozomet marrin pjesë aktive në këtë proces. ARN-të e mbetura i nënshtrohen transformimeve kimike për të përfunduar transkriptimin. Si rezultat i ndryshimeve që ndodhin, formohen strukturat dytësore dhe terciare të acidit ribonukleik. Ato funksionojnë në varësi të llojit të ARN-së.
Përmbajtja e artikullit
ACIDET NUKLEIKE– molekulat biologjike të polimerit që ruajnë të gjithë informacionin për një organizëm të gjallë individual, duke përcaktuar rritjen dhe zhvillimin e tij, si dhe karakteristikat trashëgimore të transmetuara në brezin e ardhshëm. Acidet nukleike gjenden në bërthamat e qelizave të të gjitha organizmave bimorë dhe shtazorë, të cilët përcaktuan emrin e tyre (lat. . bërthama - bërthamë).
Përbërja e zinxhirit polimer të acideve nukleike.
Zinxhiri polimer i acideve nukleike është mbledhur nga fragmente të acidit fosforik H 3 PO 3 dhe fragmente të molekulave heterociklike që janë derivate të furanit. Ekzistojnë vetëm dy lloje të acideve nukleike, secili i ndërtuar mbi bazën e njërit prej dy llojeve të heterocikleve të tilla - riboza ose deoksiriboza (Fig. 1).
Oriz. 1. STRUKTURA E RIBOZËS DHE DEOKSIRIBOZËS.
Emri ribose (nga lat. . Brinjë - brinjë, kapëse letre) ka mbaresën - ose, që tregon se i përket klasës së sheqernave (për shembull, glukozë, fruktozë). Komponimi i dytë nuk ka një grup OH (grup hidroksi), i cili është shënuar me të kuqe në ribozë. Në këtë drejtim, përbërja e trefishtë quhet deoksiribozë, d.m.th., ribozë pa një grup oksi.
Zinxhiri polimer, i ndërtuar nga fragmente të ribozës dhe acidit fosforik, është baza e një prej acideve nukleike - acidit ribonukleik (ARN). Termi "acid" në emër të këtij përbërësi përdoret sepse një nga grupet acidike OH të acidit fosforik mbetet i pazëvendësuar, gjë që i jep të gjithë përbërjes një karakter pak acid. Nëse deoksiriboza është e përfshirë në formimin e zinxhirit polimer në vend të ribozës, atëherë formohet acidi deoksiribonukleik, për të cilin është pranuar gjerësisht shkurtesa e njohur ADN.
Struktura e ADN-së.
Molekula e ADN-së shërben si pikënisje në procesin e rritjes dhe zhvillimit të organizmit. Në Fig. Figura 2 tregon se si kombinohen dy lloje të përbërjeve fillestare të alternuara në një zinxhir polimer, nuk tregon metodën e sintezës, por diagramin parimor të montimit të një molekule të ADN-së.
Në versionin përfundimtar, molekula e ADN-së polimer përmban heterocikle që përmbajnë azot në kornizën anësore. Katër lloje të komponimeve të tilla janë të përfshira në formimin e ADN-së, dy prej tyre janë cikle me gjashtë anëtarë dhe dy janë cikle të kondensuar, ku një unazë gjashtë-anëtarësh shkrihet me një pesë-anëtarësh (Fig. 3).
Oriz. 3. STRUKTURA E HETEROCIKLEVE QË PËRMBAJNË AZOT, të cilat janë pjesë e ADN-së
Në fazën e dytë të montimit, komponimet heterociklike që përmbajnë azot të paraqitura më sipër u shtohen grupeve të lira OH të deoksiribozës, duke formuar varëse anësore në zinxhirin polimer (Fig. 4).
Molekulat e adeninës, timinës, guaninës dhe citozinës të lidhura me zinxhirin polimer përcaktohen me shkronjat e para të emrave të përbërjeve origjinale, d.m.th. A, T, G Dhe C.
Vetë zinxhiri polimer i ADN-së ka një drejtim të caktuar - kur lëviz mendërisht përgjatë molekulës në drejtimet e përparme dhe të kundërta, të njëjtat grupe që përbëjnë zinxhirin hasen gjatë rrugës në sekuenca të ndryshme. Kur lëvizni në një drejtim nga një atom fosfori në tjetrin, së pari përgjatë rrugës ekziston një grup CH 2, dhe më pas dy grupe CH (atomet e oksigjenit mund të injorohen kur lëvizni në drejtim të kundërt, sekuenca e këtyre grupeve do të jetë). i kundërt (Fig. 5) .
Oriz. 5. ORIENTIMI I ZINXHIRIT POLIMER TË ADN-së. Kur përshkruani rendin në të cilin alternohen heterocikat e bashkangjitura, është zakon të përdoret drejtimi i drejtpërdrejtë, domethënë nga grupi CH 2 në grupet CH.
Vetë koncepti i "drejtimit të fillesës" ndihmon për të kuptuar se si dy fijet e ADN-së janë rregulluar kur ato kombinohen, dhe gjithashtu lidhet drejtpërdrejt me sintezën e proteinave.
Në fazën tjetër, dy molekula të ADN-së kombinohen, të pozicionuara në mënyrë që fillimi dhe skajet e zinxhirëve të drejtohen në drejtime të kundërta. Në këtë rast, heterocikat e dy vargjeve përballen me njëri-tjetrin dhe janë të vendosur në një mënyrë optimale, që do të thotë se lidhjet hidrogjenore lindin midis çifteve të grupeve C=O dhe NH 2, si dhe midis є N dhe NH=, të cilat janë pjesë e heterociklit ( cm. LIDHJA E HIDROGJENIT). Në Fig. Figura 6 tregon se si pozicionohen dy zinxhirët në lidhje me njëri-tjetrin dhe si lindin lidhjet hidrogjenore midis heterociklit. Detaji më i rëndësishëm është se çiftet e lidhura me lidhje hidrogjenore janë të përcaktuara rreptësisht: fragment A gjithmonë ndërvepron me T, dhe fragmenti G– gjithmonë me C. Gjeometria e përcaktuar rreptësisht e këtyre grupeve çon në faktin se këto çifte i përshtaten njëri-tjetrit jashtëzakonisht saktë (si çelësi i një blloku), një palë A-T të lidhura me dy lidhje hidrogjenore, dhe çifti G-C- tre lidhje.
Lidhjet e hidrogjenit janë dukshëm më të dobëta se lidhjet e zakonshme të valencës, por për shkak të numrit të tyre të madh përgjatë gjithë molekulës së polimerit, lidhja e dy zinxhirëve bëhet mjaft e fortë. Një molekulë e ADN-së përmban dhjetëra mijëra grupe A, T, G Dhe C dhe rendi i alternimit të tyre brenda një molekule polimeri mund të jetë i ndryshëm, për shembull, në një seksion të caktuar të zinxhirit sekuenca mund të duket si: - A-A-T-G-C-G-A-T-. Meqenëse grupet ndërvepruese janë të përcaktuara rreptësisht, seksioni i kundërt i molekulës së dytë të polimerit do të ketë domosdoshmërisht sekuencën - T-T-A-C-G-C-T-A-. Kështu, duke ditur rendin e rregullimit të heterocikleve në një zinxhir, mund të tregohet vendosja e tyre në një zinxhir tjetër. Nga kjo korrespondencë del se numri i përgjithshëm i grupeve në një molekulë të dyfishtë të ADN-së A e barabartë me numrin e grupeve T, dhe numrin e grupeve G- sasia C(Rregulli i E. Chargaff).
Dy molekula të ADN-së të lidhura me lidhje hidrogjeni janë paraqitur në Fig. 5 në formën e dy zinxhirëve të shtrirë të sheshtë, por në realitet ato janë rregulluar ndryshe. Drejtimi i vërtetë në hapësirë i të gjitha lidhjeve, i përcaktuar nga këndet e lidhjes dhe ndërveprimet kontraktuese të hidrogjenit, çon në një përkulje të caktuar të zinxhirëve të polimerit dhe rrotullim të planit heterociklik, i cili tregohet afërsisht në fragmentin e parë video të Fig. 7 duke përdorur formulën strukturore. E gjithë struktura hapësinore mund të përcillet shumë më saktë vetëm me ndihmën e modeleve tredimensionale (Fig. 7, fragmenti i dytë i videos). Në këtë rast, lind një pamje komplekse, kështu që është zakon të përdoren imazhe të thjeshtuara, të cilat përdoren veçanërisht gjerësisht kur përshkruajnë strukturën e acideve nukleike ose proteinat. Në rastin e acideve nukleike, zinxhirët polimer përshkruhen në formën e shiritave të sheshtë dhe grupeve heterociklike A, T, G Dhe C– në formën e shufrave anësore ose goditjeve të thjeshta valente, me ngjyra të ndryshme, ose që përmbajnë në fund emërtimet e shkronjave të heterociklit përkatës (Fig. 7, fragmenti i tretë video).
Kur e gjithë struktura rrotullohet rreth boshtit vertikal (Fig. 8), forma spirale e dy molekulave të polimerit duket qartë, sikur të ishte plagosur në sipërfaqen e cilindrit, kjo është spiralen e njohur e dyfishtë e ADN-së.
Me një imazh kaq të thjeshtuar, informacioni kryesor nuk zhduket - rendi i alternimit të grupimit A, T, G Dhe C, e cila përcakton individualitetin e çdo organizmi të gjallë, të gjitha informacionet regjistrohen në një kod me katër shkronja.
Struktura e zinxhirit polimer dhe prania e detyrueshme e katër llojeve të heterocikleve janë të njëjta për të gjithë përfaqësuesit e botës së gjallë. Të gjitha kafshët dhe bimët më të larta kanë numrin e çifteve A – T gjithmonë disi më shumë se një çift G – C. Dallimi midis ADN-së së gjitarëve dhe ADN-së së bimëve është se gjitarët kanë një palë A – T përgjatë gjithë gjatësisë së zinxhirit ndodh pak më shpesh (afërsisht 1.2 herë) se çifti G – C. Në rastin e bimëve, preferenca për çiftin e parë është shumë më e theksuar (afërsisht 1.6 herë).
ADN-ja është një nga molekulat më të mëdha të polimerit të njohura sot në disa organizma, zinxhiri i saj polimer përbëhet nga qindra miliona njësi. Gjatësia e një molekule të tillë arrin disa centimetra, që është një vlerë shumë e madhe për objektet molekulare. Sepse Meqenëse seksioni kryq i molekulës është vetëm 2 nm (1 nm = 10–9 m), përmasat e tij mund të krahasohen me një hekurudhë hekurudhore dhjetëra kilometra të gjatë.
Vetitë kimike të ADN-së.
Në ujë, ADN-ja formon tretësirë viskoze kur solucione të tilla nxehen në 60 ° C ose kur ekspozohen ndaj alkaleve, spiralen e dyfishtë ndahet në dy zinxhirë përbërës, të cilët përsëri mund të bashkohen nëse kthehemi në kushtet origjinale. Në kushte pak acide, ndodh hidroliza, si rezultat i së cilës fragmentet –P-O-CH 2 zbërthehen pjesërisht me formimin e fragmenteve –P-OH dhe HO-CH2, përkatësisht, duke rezultuar në formimin e monomerit, dimerit ( acide të dyfishta) ose trimerike (trefishe), të cilat janë lidhje nga të cilat është mbledhur zinxhiri i ADN-së (Fig. 9).
Oriz. 9. FRAGMENTET E FITUARA NGA PRERJA E ADN-së.
Hidroliza më e thellë bën të mundur ndarjen e vendeve të deoksiribozës nga acidi fosforik, si dhe grupin G nga deoksiriboza, d.m.th., zbërtheni molekulën e ADN-së në përbërësit e saj përbërës në më shumë detaje. Nën veprimin e acideve të forta (përveç dekompozimit të fragmenteve –P(O)-O-CH2-), ndahen edhe grupet. A Dhe G. Veprimi i reagentëve të tjerë (për shembull, hidrazina) bën të mundur ndarjen e grupeve T Dhe C. Një ndarje më delikate e ADN-së në përbërës kryhet duke përdorur një preparat biologjik - deoksiribonukleazë, të izoluar nga pankreasi (fund - aza gjithmonë tregon se substanca është një katalizator me origjinë biologjike - një enzimë). Pjesa fillestare e emrit është deoksiribonukleaza- tregon se cilin përbërës zbërthen kjo enzimë. Të gjitha këto metoda të ndarjes së ADN-së përqendrohen, para së gjithash, në një analizë të hollësishme të përbërjes së saj.
Informacioni më i rëndësishëm që përmban një molekulë e ADN-së është rendi i alternimit të grupeve A, T, G Dhe C, është marrë duke përdorur teknika të zhvilluara posaçërisht. Për këtë qëllim, është krijuar një gamë e gjerë enzimash që gjejnë një sekuencë të përcaktuar rreptësisht në molekulën e ADN-së, për shembull, C-T-G-C-A-G(si dhe sekuenca përkatëse në zinxhirin e kundërt G-A-C-G-T-C) dhe izolojeni nga zinxhiri. Kjo veti zotërohet nga enzima Pst I (emri tregtar, është formuar nga emri i atij mikroorganizmi P rovidencia rr uartii, nga e cila përftohet kjo enzimë). Kur përdorni një tjetër enzimë Pal I, është e mundur të gjendet sekuenca G-G-C-C. Më tej, krahasohen rezultatet e marra nga veprimi i një game të gjerë enzimash të ndryshme sipas një skeme të zhvilluar paraprakisht, si rezultat është e mundur të përcaktohet sekuenca e grupeve të tilla në një seksion të caktuar të ADN-së. Tani teknika të tilla janë sjellë në fazën e përdorimit të gjerë, ato përdoren në një larmi fushash larg kërkimit shkencor biokimik, për shembull, në identifikimin e mbetjeve të organizmave të gjallë ose në përcaktimin e shkallës së marrëdhënies.
Struktura e ARN-së
në shumë mënyra të kujton ADN-në, ndryshimi është se në zinxhirin kryesor fragmentet e acidit fosforik alternojnë me ribozë, dhe jo me deoksiribozë (Fig.). Dallimi i dytë është se një heterociklik uracil ( U) në vend të timinës ( T), heterocikle të tjera A, G Dhe C njëjtë si për ADN-në. Uracil ndryshon nga timina në mungesë të një grupi metil të ngjitur në unazë, në Fig. 10 ky grup metil është theksuar me të kuqe.
Oriz. 10. NDRYSHIM TIMINA NGA URACIL– mungesa e një grupi metil në përbërjen e dytë, e theksuar me të kuqe në timinë.
Një fragment i një molekule ARN është paraqitur në Fig. 11, rendi i grupimeve A, U, G Dhe C, dhe raporti i tyre sasior mund të jetë i ndryshëm.
Fig. 11. FRAGMENT I NJË MOLEKULE ARN. Dallimi kryesor nga ADN-ja është prania e grupeve OH në ribozë (e kuqe) dhe një fragment uracil (blu).
Zinxhiri polimer i ARN-së është afërsisht dhjetë herë më i shkurtër se ai i ADN-së. Një ndryshim shtesë është se molekulat e ARN-së nuk kombinohen në spirale të dyfishta të përbëra nga dy molekula, por zakonisht ekzistojnë si një molekulë e vetme, e cila në disa zona mund të formojë me vete fragmente spirale me dy fije, duke alternuar me seksione lineare. Në rajonet spirale, ndërveprimi i çifteve vërehet po aq rreptësisht sa në ADN. Çiftet e lidhura me lidhje hidrogjeni dhe duke formuar një spirale ( A-U Dhe G-C), shfaqen në ato zona ku renditja e grupeve rezulton e favorshme për një ndërveprim të tillë (Fig. 12).
Për shumicën dërrmuese të organizmave të gjallë, përmbajtja sasiore e çifteve A-U më shumë se G-C, te gjitarët 1,5–1,6 herë, te bimët – 1,2 herë. Ekzistojnë disa lloje të ARN-së, të cilat kanë role të ndryshme në një organizëm të gjallë.
Vetitë kimike të ARN-së
ngjajnë me vetitë e ADN-së, megjithatë, prania e grupeve shtesë OH në ribozë dhe përmbajtja më e ulët (në krahasim me ADN-në) e rajoneve të stabilizuara spirale i bën molekulat e ARN-së kimikisht më të prekshme. Nën veprimin e acideve ose alkaleve, fragmentet kryesore të zinxhirit polimer P(O)-O-CH2 hidrolizohen lehtësisht, grupe A, U, G Dhe C shkëputen më lehtë. Nëse është e nevojshme të merren fragmente monomerike (si ato në Fig. 9), duke mbajtur heterocikle të lidhura kimikisht, përdoren enzima delikate të quajtura ribonkuleaza.
Pjesëmarrja e ADN-së dhe ARN-së në sintezën e proteinave
– një nga funksionet kryesore të acideve nukleike. Proteinat janë përbërësit më të rëndësishëm të çdo organizmi të gjallë. Muskujt, organet e brendshme, indet e eshtrave, lëkura dhe flokët e gjitarëve përbëhen nga proteinat. Këto janë komponime polimere që janë mbledhur në një organizëm të gjallë nga aminoacide të ndryshme. Në një asamble të tillë, acidet nukleike luajnë një rol kontrollues, procesi zhvillohet në dy faza, dhe në secilën prej tyre faktori përcaktues është orientimi i ndërsjellë i heterocikleve që përmbajnë azot të ADN-së dhe ARN-së.
Detyra kryesore e ADN-së është të ruajë informacionin e regjistruar dhe ta sigurojë atë në momentin kur fillon sinteza e proteinave. Në këtë drejtim, rritja e stabilitetit kimik të ADN-së në krahasim me ARN-në është e kuptueshme. Natyra është kujdesur që informacioni bazë të jetë sa më i paprekshëm.
Në fazën e parë, një pjesë e spirales së dyfishtë hapet, degët e lira ndryshojnë dhe në grupe A, T, G Dhe C, e cila doli të jetë e arritshme, fillon sinteza e ARN-së, e quajtur ARN e dërguar, pasi ajo, si një kopje nga matrica, riprodhon me saktësi informacionin e regjistruar në seksionin e zbuluar të ADN-së. Përballë grupit A, që i përket molekulës së ADN-së, ekziston një fragment i ARN-së së ardhshme të dërguar që përmban grupin U, të gjitha grupet e tjera janë të vendosura përballë njëri-tjetrit në përputhje të saktë me mënyrën se si kjo ndodh gjatë formimit të një spirale të dyfishtë të ADN-së (Fig. 13).
Sipas kësaj skeme, formohet një molekulë polimer e ARN-së mesazhere, që përmban disa mijëra njësi monomere.
Në fazën e dytë, modeli i ADN-së lëviz nga bërthama e qelizës në hapësirën perinukleare - citoplazmën. ARN-ja e dërguar që rezulton shoqërohet nga të ashtuquajturat ARN transferuese, të cilat bartin (transportojnë) aminoacide të ndryshme. Çdo ARN transferuese, e ngarkuar me një aminoacid specifik, i afrohet një rajoni të përcaktuar rreptësisht të ARN-së së dërguarit, zbulohet vendndodhja e dëshiruar duke përdorur të njëjtin parim të ndërlidhjes në grup; A
Një detaj i rëndësishëm është se ndërveprimi i përkohshëm midis mesazherit dhe ARN-së transferuese ndodh vetëm në tre grupe, për shembull, treshe C-C-U acidi matricë, vetëm trefishi përkatës mund të jetë i përshtatshëm G-G-A transferon ARN, e cila sigurisht mbart me vete aminoacidin glicinë (Fig. 14). Po kështu edhe për treshen G-A-U vetëm një grup mund të afrohet C-U-A, duke transportuar vetëm aminoacidin leucinë. Kështu, sekuenca e grupeve në ARN-në e dërguar tregon se në çfarë rendi duhet të kombinohen aminoacidet. Përveç kësaj, sistemi përmban rregulla shtesë rregullative në formë të koduar, disa sekuenca nga tre grupe të ARN-së lajmëtare tregojnë se sinteza e proteinave duhet të ndalet në këtë pikë, d.m.th. molekula ka arritur gjatësinë e kërkuar.
Treguar në Fig. 14 sinteza e proteinave bëhet me pjesëmarrjen e një tjetër - lloji i tretë i acideve ARN ato janë pjesë e ribozomeve dhe për këtë arsye quhen ribozomale. Ribozomi, i cili është një grup i proteinave të caktuara të ARN-së ribozomale, siguron ndërveprimin e ARN-së të dërguarit dhe transferimit, duke luajtur rolin e një rripi transportues që lëviz ARN-në e dërguar një hap pasi të ketë ndodhur lidhja e dy aminoacideve.
Kuptimi kryesor i skemës me dy faza të paraqitur në Fig. 13 dhe 14, është se zinxhiri polimer i një molekule proteine është mbledhur nga aminoacide të ndryshme në rendin e synuar dhe rreptësisht sipas planit që ishte shkruar në formë të koduar në një seksion të caktuar të ADN-së. Kështu, ADN-ja përfaqëson pikën fillestare të gjithë këtij procesi të programuar.
Në procesin e jetës, proteinat konsumohen vazhdimisht, dhe për këtë arsye ato riprodhohen rregullisht sipas skemës së përshkruar, e gjithë sinteza e një molekule proteine, e përbërë nga qindra aminoacide, zhvillohet në një organizëm të gjallë përafërsisht brenda një minute.
Studimet e para të acideve nukleike u kryen në gjysmën e dytë të shekullit të 19-të, të kuptuarit se të gjitha informacionet për një organizëm të gjallë janë të koduara në ADN erdhi në mesin e shekullit të 20-të, struktura e spirales së dyfishtë të ADN-së u krijua në 1953 nga J. Watson dhe F. Crick bazuar në të dhënat e analizës së difraksionit me rreze X, e cila njihet si arritja më e madhe shkencore e shekullit të 20-të. Në mesin e viteve 70 të shekullit të 20-të. U shfaqën metoda për deshifrimin e strukturës së detajuar të acideve nukleike, dhe pas kësaj u zhvilluan metoda për sintezën e tyre të synuar. Sot, jo të gjitha proceset që ndodhin në organizmat e gjallë që përfshijnë acidet nukleike janë të qarta, dhe sot kjo është një nga fushat më intensive të zhvillimit të shkencës.
Mikhail Levitsky