Нуклеиновые кислоты их состав. Химические свойства нуклеиновых кислот

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
биополимеры, состоящие из остатков фосфорной кислоты, сахаров и азотистых оснований (пуринов и пиримидинов). Имеют фундаментальное биологическое значение, поскольку содержат в закодированном виде всю генетическую информацию любого живого организма, от человека до бактерий и вирусов, передаваемую от одного поколения другому. Нуклеиновые кислоты были впервые выделены из клеток гноя человека и спермы лосося швейцарским врачом и биохимиком Ф.Мишером между 1869 и 1871. Впоследствии было установлено, что существует два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК), однако их функции долго оставались неизвестными. В 1928 английский бактериолог Ф. Гриффит обнаружил, что убитые патогенные пневмококки могут изменять генетические свойства живых непатогенных пневмококков, превращая последние в патогенные. В 1945 микробиолог О.Эвери из Рокфеллеровского института в Нью-Йорке сделал важное открытие: он показал, что способность к генетической трансформации обусловлена переносом ДНК из одной клетки в другую, а следовательно, генетический материал представляет собой ДНК. В 1940-1950 Дж. Бидл и Э. Тейтум из Станфордского университета (шт. Калифорния) обнаружили, что синтез белков, в частности ферментов, контролируется специфическими генами. В 1942 Т.Касперсон в Швеции и Ж.Браше в Бельгии открыли, что нуклеиновых кислот особенно много в клетках, активно синтезирующих белки. Все эти данные наводили на мысль, что генетический материал - это нуклеиновая кислота и что она как-то участвует в синтезе белков. Однако в то время многие полагали, что молекулы нуклеиновых кислот, несмотря на их большую длину, имеют слишком простую периодически повторяющуюся структуру, чтобы нести достаточно информации и служить генетическим материалом. Но в конце 1940-х годов Э. Чаргафф в США и Дж. Уайатт в Канаде, используя метод распределительной хроматографии на бумаге, показали, что структура ДНК не столь проста и эта молекула может служить носителем генетической информации.

Структура ДНК была установлена в 1953 М. Уилкинсом, Дж. Уотсоном и Ф. Криком в Англии. Это фундаментальное открытие позволило понять, как происходит удвоение (репликация) нуклеиновых кислот. Вскоре после этого американские исследователи А. Даунс и Дж. Гамов предположили, что структура белков каким-то образом закодирована в нуклеиновых кислотах, а к 1965 эта гипотеза была подтверждена многими исследователями: Ф. Криком в Англии, М. Ниренбергом и С. Очоа в США, Х. Кораной в Индии. Все эти открытия, результат столетнего изучения нуклеиновых кислот, произвели подлинную революцию в биологии. Они позволили объяснить феномен жизни в рамках взаимодействия между атомами и молекулами.
Типы и распространение. Как мы уже говорили, есть два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. ДНК присутствует в ядрах всех растительных и животных клеток, где она находится в комплексе с белками и является составной частью хромосом. У особей каждого конкретного вида содержание ядерной ДНК обычно одинаково во всех клетках, кроме гамет (яйцеклеток и сперматозоидов), где ДНК вдвое меньше. Таким образом, количество клеточной ДНК видоспецифично. ДНК найдена и вне ядра: в митохондриях ("энергетических станциях" клеток) и в хлоропластах (частицах, где в растительных клетках идет фотосинтез). Эти субклеточные частицы обладают некоторой генетической автономией. Бактерии и цианобактерии (сине-зеленые водоросли) содержат вместо хромосом одну или две крупные молекулы ДНК, связанные с небольшим количеством белка, и часто - молекулы ДНК меньшего размера, называемые плазмидами. Плазмиды несут полезную генетическую информацию, например содержат гены устойчивости к антибиотикам, но для жизни самой клетки они несущественны. Некоторое количество РНК присутствует в клеточном ядре, основная же ее масса находится в цитоплазме - жидком содержимом клетки. Большую ее часть составляет рибосомная РНК (рРНК). Рибосомы - это мельчайшие тельца, на которых идет синтез белка. Небольшое количество РНК представлено транспортной РНК (тРНК), которая также участвует в белковом синтезе. Однако оба этих класса РНК не несут информации о структуре белков - такая информация заключена в матричной, или информационной, РНК (мРНК), на долю которой приходится лишь небольшая часть суммарной клеточной РНК. Генетический материал вирусов представлен либо ДНК, либо РНК, но никогда обеими одновременно.
ОБЩИЕ СВОЙСТВА
Молекулы нуклеиновых кислот содержат множество отрицательно заряженных фосфатных групп и образуют комплексы с ионами металлов; их калиевая и натриевая соли хорошо растворимы в воде. Концентрированные растворы нуклеиновых кислот очень вязкие и слегка опалесцируют, а в твердом виде эти вещества белые. Нуклеиновые кислоты сильно поглощают ультрафиолетовый свет, и это свойство лежит в основе определения их концентрации. С этим же свойством связан и мутагенный эффект ультрафиолетового света. Длинные молекулы ДНК хрупки и легко ломаются, например при продавливании раствора через шприц. Поэтому работа с высокомолекулярными ДНК требует особой осторожности.
Химическая структура. Нуклеиновые кислоты - это длинные цепочки, состоящие из четырех многократно повторяющихся единиц (нуклеотидов). Их структуру можно представить следующим образом:

Символ Ф обозначает фосфатную группу. Чередующиеся остатки сахара и фосфорной кислоты образуют сахарофосфатный остов молекулы, одинаковый у всех ДНК, а огромное их разнообразие обусловливается тем, что четыре азотистых основания могут располагаться вдоль цепи в самой разной последовательности. Сахаром в нуклеиновых кислотах является пентоза; четыре из пяти ее углеродных атомов вместе с одним атомом кислорода образуют кольцо. Атомы углерода пентозы обозначают номерами от 1" до 5". В РНК сахар представлен рибозой, а в ДНК - дезоксирибозой, содержащей на один атом кислорода меньше. Фрагменты полинуклеотидных цепей ДНК и РНК показаны на рисунке.

Водородные связи, соединяющие основания противоположных цепей, относятся к категории слабых, но благодаря своей многочисленности в молекуле ДНК они прочно стабилизируют ее структуру. Однако если раствор ДНК нагреть примерно до 60° С, эти связи рвутся и цепи расходятся - происходит денатурация ДНК (плавление). Обе цепи ДНК закручены по спирали относительно воображаемой оси, как будто они навиты на цилиндр. Эта структура называется двойной спиралью. На каждый виток спирали приходится десять пар оснований.

ДВОЙНАЯ СПИРАЛЬ ДНК. По своей структуре ДНК напоминает винтовую лестницу. Ее боковины составлены из чередующихся остатков сахара и фосфатных групп; каждый остаток сахара в одной боковине соединен со своим партнером в другой с помощью "перекладины", состоящей из пурина (аденина или гуанина) и пиримидина (цитозина или тимина), при этом аденин соединяется только с тимином, а гуанин - с цитозином.

Соответствие А"Т и Г"Ц называют правилом комплементарности, а сами цепи - комплементарными. Согласно этому правилу, содержание аденина в ДНК всегда равно содержанию тимина, а количество гуанина - количеству цитозина. Следует отметить, что две цепи ДНК, различаясь химически, несут одинаковую информацию, поскольку вследствие комплементарности одна цепь однозначно задает другую. Структура РНК менее упорядочена. Обычно это одноцепочечная молекула, хотя РНК некоторых вирусов состоит из двух цепей. Но даже такая РНК более гибка, чем ДНК. Некоторые участки в молекуле РНК взаимно комплементарны и при изгибании цепи спариваются, образуя двухцепочечные структуры (шпильки). В первую очередь это относится к транспортным РНК (тРНК). Некоторые основания в тРНК подвергаются модификации уже после синтеза молекулы. Например, иногда происходит присоединение к ним метильных групп.
ФУНКЦИЯ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Одна из основных функций нуклеиновых кислот состоит в детерминации синтеза белков. Информация о структуре белков, закодированная в нуклеотидной последовательности ДНК, должна передаваться от одного поколения к другому, и поэтому необходимо ее безошибочное копирование, т.е. синтез точно такой же же молекулы ДНК (репликация).
Репликация и транскрипция. С химической точки зрения синтез нуклеиновой кислоты - это полимеризация, т.е. последовательное присоединение строительных блоков. Такими блоками служат нуклеозидтрифосфаты; реакцию можно представить следующим образом:

Энергия, необходимая для синтеза, высвобождается при отщеплении пирофосфата, а катализируют реакцию особые ферменты - ДНК-полимеразы. В результате такого синтетического процесса мы получили бы полимер со случайной последовательностью оснований. Однако большинство полимераз работает только в присутствии уже существующей нуклеиновой кислоты -матрицы, диктующей, какой именно нуклеотид присоединится к концу цепи. Этот нуклеотид должен быть комплементарен соответствующему нуклеотиду матрицы, так что новая цепь оказывается комплементарной исходной. Используя затем комплементарную цепь в качестве матрицы, мы получим точную копию оригинала. ДНК состоит из двух взаимно комплементарных цепей. В ходе репликации они расходятся, и каждая из них служит матрицей для синтеза новой цепи:

Так образуются две новые двойные спирали с той же последовательностью оснований, что и у исходной ДНК. Иногда в процессе репликации происходит "сбой", и возникают мутации (см. также НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ). В результате транскрипции ДНК образуются клеточные РНК (мРНК, рРНК и тРНК):

Они комплементарны одной из цепей ДНК и являются копией другой цепи, за исключением того, что место тимина у них занимает урацил. Таким способом можно получить множество РНК-копий одной из цепей ДНК. В нормальной клетке передача информации осуществляется только в направлении ДНК -> ДНК и ДНК -> РНК. Однако в клетках, инфицированных вирусом, возможны и другие процессы: РНК -> РНК и РНК -> ДНК. Генетический материал многих вирусов представлен молекулой РНК, обычно одноцепочечной. Проникнув в клетку-хозяина, эта РНК реплицируется с образованием комплементарной молекулы, на которой, в свою очередь, синтезируется множество копий исходной вирусной РНК:

Вирусная РНК может транскрибироваться ферментом - обратной транскриптазой - в ДНК, которая иногда включается в хромосомную ДНК клетки-хозяина. Теперь эта ДНК несет вирусные гены, и после транскрипции в клетке может появиться вирусная РНК. Таким образом, спустя длительное время, в течение которого никакого вируса в клетке не обнаруживается, он снова в ней появится без повторного заражения. Вирусы, генетический материал которых включается в хромосому клетки-хозяина, часто являются причиной рака.
Трансляция нуклеиновых кислот в белки. Генетическая информация, закодированная в нуклеотидной последовательности ДНК, переводится не только на язык нуклеотидной последовательности РНК, но и на язык аминокислот - мономерных единиц белков. Белковая молекула - это цепочка из аминокислот. Каждая аминокислота содержит кислую карбоксильную группу -COOH и оснвную аминогруппу -NH2. Карбоксильная группа одной аминокислоты связывается с аминогруппой другой, образуя амидную связь, и этот процесс продолжается, пока не образуется цепь, содержащая до 1000 аминокислот (см. также БЕЛКИ). В белках присутствует 20 разных аминокислот, от последовательности которых зависят их природа и функции. Эта последовательность определяется нуклеотидной последовательностью соответствующего гена - участка ДНК, кодирующего данный белок. Однако сама ДНК не является матрицей при синтезе белка. Сначала она транскрибируется в ядре с образованием матричной РНК (мРНК), которая диффундирует в цитоплазму, и на ней как на матрице синтезируется белок. Процесс ускоряется благодаря тому, что на каждой молекуле мРНК может одновременно синтезироваться множество белковых молекул. Репликация нуклеиновых кислот осуществляется благодаря образованию водородных связей между комплементарными основаниями исходной и дочерней цепей. Аминокислоты не образуют водородных связей с основаниями, так что прямое копирование матрицы невозможно. Они взаимодействуют с матрицей опосредованно, через "адапторные" нуклеиновые кислоты - небольшие молекулы транспортных РНК (тРНК), состоящие примерно из 80 оснований и способные связываться с мРНК. Каждая тРНК содержит специфическую последовательность из трех оснований, антикодон, который комплементарен группе из трех оснований, кодону, в мРНК. Антикодоны взаимодействуют с кодонами по правилу комплементарности, примерно так же, как взаимодействуют две цепи ДНК. Таким образом, последовательность оснований в мРНК определяет порядок присоединения тРНК, несущих аминокислоты. Схематически перенос информации от ДНК к белку можно представить следующим образом:

Последовательность оснований в ДНК задает порядок следования аминокислот в белке, поскольку каждая аминокислота присоединяется специфическим ферментом только к определенным тРНК, а те, в свою очередь, - только к определенным кодонам в мРНК. Комплексы тРНК-аминокислота связываются с матрицей по одному в каждый данный момент времени. Ниже перечислены основные этапы белкового синтеза (см. также рисунок).

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .

Смотреть что такое "НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ" в других словарях:

Полинуклеотиды, фосфорсодержащие биополимеры, имеющие универсальное распространение в живой природе. Впервые обнаружены Ф. Мишером в 1868 в клетках, богатых ядерным материалом (лейкоцитах, сперматозоидах лосося). Термин «Н. к.» предложен в 1889.… … Биологический энциклопедический словарь

- (полинуклеотиды), высокомолекулярные органические соединения, образованные остатками нуклеотидов. В зависимости от того, какой углевод входит в состав нуклеиновой кислоты дезоксирибоза или рибоза, различают дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и… … Современная энциклопедия

Доказательства генетической роли ДНК

Название «нуклеиновые кислоты» происходит от латинского слова «нуклеус», т.е. ядро. Их впервые обнаружил в 1868 году И.Ф. Мишер в ядрах лейкоцитов.

Эксперименты 1940-1950-х гг убедительно доказали, что именно нуклеиновые кислоты (а не белки, как предполагали многие) являются носителями наследственной информации у всех организмов. В этих опытах была раскрыта биологическая природа явлений трансформации и трансдукции , на уровне микроорганизмов, механизмы взаимодействия организмов и клетки.

Трансформация (от лат. transformation – преобразование, изменение) – изменение наследственных свойств бактериальной клетки в результате проникновения в нее чужеродной ДНК. Впервые обнаружена в 1928г Ф. Гриффитсом. Гриффитс обнаружил, что при инъекции мышам одновременно двух штаммов пневмококков (R-штамма, невирулентного, и S-штамма, вирулентного, но убитого нагреванием), через несколько дней они погибали и в их крови были найдены вирулентные пневмококки S-штамма (рис.7.1.).

Э.Т. Эйвери совместно с сотрудниками (1944) установил, что фактором, превращающих непатогенных бактерий в патогенные, являются молекулы ДНК.

С открытием и изучением трансформации выяснилось, что ДНК – материальный носитель наследственной информации. Трансформация возможна и у клеток высших организмов.

Трансдукция (от лат. transductio – перемещение) – перенос бактериофагом фрагментов ДНК из одной бактериальной клетки в другую, что приводит к изменению наследственных свойств клетки. Привнесенная информация в процессе репликации ДНК передаётся в ряду клеточных поколений бактерии.

Явление трансдукции является подтверждением генетической роли ДНК, а также используется для изучения структуры хромосом, строения генов, является одним из методов генной инженерии.

Рис.7. 1.Схематическое изображение эксперимента Гриффитса: а – мышь которой введена культура патогенного инкапсулированого штамма S-пневмококков, погибает; б – мышь, которой введена культура непатогенного бескапсульного R-муанта, не погибает; в – мышь, получившая инъекцию культуры S- штамма, убитого нагреванием, не погибает; г-мышь, получившая при инъекциисмесьживойкультурыR-мутанта и убитой нагреванием культуры S- штамма погибает.

Еще одним доказательством того, что нуклеиновые кислоты, а не белки есть материальным субстратом генетической информации были опыты Х. Френкель-Конрата (1950) с вирусом табачной мозаики (ВТМ).

Схема опытов Х. Френкель-Конрата

Так, с открытием химической природы факторов трансформации и трансдукции у бактерий и механизмов взаимодействия вируса и клетки, была доказана роль нуклеиновых кислот в передаче наследственной информации.

Структура нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты – это полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Нуклеотид включает в себя азотистое основание, углевод пентозу и остаток фосфорной кислоты (рис.7.2.).

Рис.7.2. Структура нуклеотида

Азотистые основания нуклеотидов делятся на два типа: пиримидиновые (состоят из одного 6-членного кольца) и пуриновые (состоят из двух конденсированных 5- и 6-членных колец). Каждый атом углерода колец оснований имеет свой определенный номер, но с индексом штрих (′). В нуклеотиде азотистое основание всегда присоединено к первому атому углевода пентозы.

Именно азотистые основания определяют уникальную структуру молекул ДНК и РНК. В нуклеиновых кислотах встречаются 5 основных видов азотистых оснований (пуриновые – аденин и гуанин, пиримидиновые – тимин, цитозин, урацил) и более 50 редких (нетипичных)оснований. Основные азотистые основания обозначаются начальными буквами А, Г, Т, Ц, У. Нуклеотиды называются по содержащихся в них азотистых основаниях(табл. 7.1.).

Таблица 7.1. Типы азотистых оснований, нуклеозидов и нуклеотидов РНК и ДНК

Формирование линейной полинуклеотидной цепочки происходит путем образования фосфодиэфирной связи пентозы одного нуклеотида с фосфатом другого. Пентозофосфатный остов состоит из (5′ -3′) связей. Концевой нуклеотид на одном конце цепочки всегда имеет свободную 5′ -группу, на другом - 3′ -группу.

Рис.7.3. Формирование полипептидных цепочек молекул ДНК и РНК

В природе встречаются два вида нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. В прокариотических и эукариотических организмах генетические функции выполняют оба типа нуклеиновых кислот. Вирусы всегда содержат лишь один вид нуклеиновой кислоты.

Основные отличия между ДНК и РНК представлена в таблице 7.2.

Таблиця 7.2.Характеристика нуклеиновых кислот

ДНК

азотистое основание:

аденин, гуанин, тимин , цитозин

углевод : дезоксирибоза С 5 Н 10 О 4

остаток фосфорной кислоты

РНК

азотистое основание:

аденин, гуанин, тимин, урацил

углевод: рибоза С 5 Н 10 О 5

остаток фосфорной кислоты

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)

В 1951 году Э. Чаргаф сформулировал правила нуклеотидного состава ДНК:

1. Клетки разных тканей организма имеют одинаковый нуклеотидный состав ДНК.

2. Организмы одного вида имеют разный нуклеотидный состав.

3. В молекуле ДНК А=Т и Г=Ц, в свою очередь А+Г = Т+Ц. Для каждого вида организмов соотношение А+Г / Т+Ц является специфическим (у человека это соотношение равно 1,52).

Эти правила стали ключом для раскрытия макромолекулярной структуры ДНК.

Структура молекулы ДНК была впервые расшифрована Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 году. Согласно их модели, ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, спирально закрученных одна относительно другой.

Мономерами этих цепей являются нуклеотиды. Нуклеотиды соединяются в цепочку путем образования фосфодиэфирных (ковалентных) связей между дезоксирибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого, соседнего нуклеотида (рис.7.4.).

Две полинуклеотидные цепочки объеденяются в молекулу ДНК при помощи водородных связей между азотистыми основаниями нуклеотидов разных цепей. Азотистые основания соедины по принципу комплементарности. (аденин соединяется с тимином с помощью двух водородных связей, а гуанин с цитозином с помощью трех)

Рис.7.4. Принцип комлементарности

Принцип комплементарности – это одна из фундаментальных закономерностей живой природы, определяющая механизм передачи наследственной информации.

Полинуклеотидные цепочки одной молекулы являются антипаралельными, т.е. против 3′-конца одной цепочки находится 5′- конец другой цепочки.

Хотя в молекуле ДНК всего 4 типа разных нуклеотидов, благодаря их различной последовательности и огромному количеству в полипептидной цепочке достигается невероятное разнообразие молекул ДНК.

Нарушение в последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к наследственным изменениям в организме человека – мутациям. ДНК точно воспроизводится при делении клеток, что обеспечивает передачу наследственных признаков и свойств в ряде поколений и клеток.

Открытие «двойной спирали» ДНК было одним из самых выдающихся событий в истории биологии. Только через пять лет были получены первые экспериментальные подтверждения модели ДНК в работах М. Мезельсона и Ф. Сталя. После этих открытий наступило время невиданного прогресса в познании величайшей тайны природы – реализации наследственной информации. Началась эра молекулярной биологии.

Видовая специфичность ДНК

Представители разных видов отличаются между собой соотношением (А+Т) и (Г+Ц). У животных преобладает пара А+Т, в микроорганизмов соотношение (А+Т) и (Г+Ц) одинаковое. В этом и заключается видовая специфичность ДНК. Этот показатель используют как один из генетических критериев определения вида.

Структурные уровни ДНК

В ДНК выделяют первичную, вторичную и третичную структуру.

Первичная структура – это последовательность нуклеотидов в полинуклеотидной цепочке.

Вторичная структура – это двойная спираль полинуклеотидных цепей, соединённых водородными связями.

Существует несколько видов спиралей ДНК. В нормальных физиологических условиях наиболее часто встречается правозакрученная спираль В-формы. Это стандартная Уотсон – Криковская структура. Диаметр спирали 2 нм, шаг спирали 3,4 нм, каждый виток спирали содержит 10 пар оснований.

Наряду с В-формой обнаружены участки ДНК, имеющие другую конфигурацию, как правозакрученную (А- и С- формы)так и левозакрученную (Ζ-форма).

А-форма – полный оборот спирали составляет 2,8 2,8 нм, один виток имеет 11 пар азотистых оснований. ДНК в такой форме исполняет роль матрицы во время репликации.

С-форма имеет 9 пар оснований на виток спирали. Ζ-форма – это левая спираль, которая имеет 12 пар оснований на виток. Буква Ζ указывает на зигзагоподобную форму сахарно-фосфатного остова ДНК. В клетке ДНК обычно находится в В-форме, но отдельные участки могут находиться в А-Ζ – или даже иной конфигурации за счет суперспирализации ДНК. Конформация молекул ДНК зависит от условий и является одним из рычагов влияния на работу генов.

Третичная структура – это трехмерная суперспираль ДНК характерна для хромосом эукариот и обусловлена взаимодействием ДНК с ядерними белками. В большинстве прокариот, некоторых вирусов, а также в митохондриях и хлоропластах эукариот ДНК не связана с белками.

Основными свойствами ДНК являются её способности к репликации и репарации

Репликация ДНК

Репликация (ауторепродукция, аутосинтез, редупликация) – удвоение молекул ДНК при участии специальных ферментов. Она происходит перед каждым делением ядра в S-периоде интерфазы. Редупликация обеспечивает точную передачу генетической информации, заключенной в молекулах ДНК, от поколения к поколению.

Гигантские молекулы ДНК эукариот имеют много участков репликации – репликонов, тогда как относительно небольшие кольцевые молекулы ДНК прокариот представляют каждая один репликон. Полирепликативный характер огромных молекул ДНК эукариот обеспечивает возможность репликации без одновременной деспирализации всей молекулы. В остальном в общих чертах процессы репликации прокариот и эукариот весьма сходны.

Процесс репликации ДНК в репликоне происходит в 3 этапа, в которых участвуют несколько разных ферментов.

Первый этап. Репликация ДНК начинается с локального участка, где двойная спираль ДНК (под действием ферментов ДНК-геликазы, ДНК-топоизомеразы и др.) раскручивается, разрываются водородные связи и цепи расходятся. В результате образуется структура, названная репликационной вилкой (рис.7.5).

Рис.7.5. Схема репликации ДНК

На втором этапе происходит типичный матричный синтез. К образовавшимся свободным связям на материнских нитях ДНК присоединяются по принципу комлементарности (А-Т, Г-Ц) свободные нуклеотиды. Этот процесс идет вдоль всей молекулы ДНК. У каждой дочерней молекулы ДНК одна нить происходит от материнской молекулы, а другая является вновь синтезированной. Такая модель репликации получила название полуконсервативной . Этот этап осуществляет фермент ДНК-полимераза (известно несколько ее разновидностей).

На двух материнских нитях синтез происходит неодинаково. Посколько синтез возможен только в направлении 5′ - 3′, то на одной нити идет быстрый синтез, а на другой нити – медленный, короткими фрагментами из 1000-2000 нуклеотидов. В честь открывшего их Р.Оказаки они называются фрагментами Оказаки. Фрагменты Оказаки образуются на основе РНК-праймеров (РНК - затравок), которые синтезируются при помощи особого фермента РНК-праймазы. После выполнения своей функции РНК-праймер удаляется, а ДНК-лигаза соединяет фрагменты Оказаки и восстанавливает первичную структуру ДНК.

На третьем этапе происходит закручивание спирали и восстановление вторичной структуры ДНК при помощи ДНК-гиразы.

Большинство ферментов, участвующих в репликации ДНК, работают в мультиэнзимном комплексе, связанном с ДНК. Это позволяет осуществлять репликацию с огромной скоростью (у прокариот – около 3000 пар нуклеотидов (п.н.) в секунду, у эукариот – 100-300 п.н. в секунду).

Две новые молекулы ДНК представляют собой точные копии исходной молекулы (рис.7.6)

Рис.7.6. А – репликация ДНК; Б- синтез ДНК

Если при репликации в ростущей цепи ДНК появляется ошибочный нуклеотид, то в этой ситуации включается механизм самокоррекции. Самокоррекция ДНК заключается в исправлении ошибок, которые возникают в процессе синтеза нуклеиновой кислоты с помощью фермента ДНК-полимеразы (или тесно связанной с ней ферментом редуктирующей эндонуклеазой).

Репарация ДНК

Репарация (от лат. reparation - восстановление) – процесс восстановления первичной структуры ДНК, поврежденной в результате воздействия мутагенных факторов.

В клетках существуют различные «ремонтные» системы, устраняющие повреждения ДНК, вызванные облучением или химическими факторами. Обычно рассматривают три основных вида репарации:

· фоторепарацию (фотореактивацию);

· эксцизионную репарацию;

· пострепликативную репарацию.

Лучше всего изучена репарация повреждений, вызванных ультрафиолетовыми лучами. При облучении ультрафиолетом между соседними пиримидиновыми основаниями одной цепи ДНК возникают димеры. Чаще всего димер Т-Т, т.е. вместо водородных связей между Т и А двух нуклеотидных цепей образуются связи Т-Т внутри одной цепи (рис.7.7).

Фоторепарация происходит при воздействии видимого света. При этом фермент ДНК-фотолигаза разделяет димер на мономеры и опять восстанавливает водородные связи Т-А межу комплементарными цепями

Эксцизионная и пострепликативная репарация не зависят от света, и поэтому её называют темновой репарацией .

Эксцизионная репарация заключается в узнавании повреждения ДНК, вырезании (эксцизии) поврежденного участка, в синтезе и вставке нового фрагмента.

Она протекает в 4 стадии:

1. Эндонуклеаза узнает поврежденный участок и рядом с ним разрывает нить ДНК.

2. Экзонуклеаза «вырезает» поврежденный участок

3. ДНК-полимераза на основе неповрежденной цепи, которая служит матрицей, за принципом комплементарности синтезирует новый фрагмент.

4. Лигаза соединяет свободные концы старой части цепи с концами вновь синтезированного фрагмента.

Рис 7.7. Репаративные процессы. А. Эксцизионная репарация (на примере Escherichiaсoli). Б. Пострепликативная репарация. В представленном примере разрыв в одной молекуле ДНК закрывается путем SOS-репарации, причем возникает мутация (М.). Во второй молекуле ДНК разрыв может быть; тоже заполнен путем SOS-репарации или закрыт путем рекомбинации с по-следующим репаративным синтезом, при котором матрицей служит интактная цепь ДНК. (По Böhme, Adler, с изменениями.)

Пострепликативная репарация включается в тех случаях, когда повреждения в ДНК, возникшие до её репликации, не устраняются.

Если димеры не будут устранены, то соответствующие основания не смогут выполнять роль матрицы и в этих местах во вновь синтезированной ДНК окажутся пропуски (разрывы). Путем обмена фрагментами (рекомбинации) между двумя двойными цепями ДНК продуктами репликации возможно образование одной нормальной двойной цепи (пострепликативная репарация).

Если повреждения на ДНК так тесно лежат друг возле друга, что пропуски перекрываются, тогда для заполнения пропусков включается другая «ремонтная» система – SOS репарация , способная синтезировать новую цепь ДНК на дефективной матрице. При этой системе репликации часто бывают ошибки и возникают мутации .

Рипаративные системы клетки играют важную роль в сохранении генетического гомеостаза, структурной и функциональной стабильности живых систем .

Рибонуклеиновые кислоты

Рибонуклеиновая кислота – это биополимер, который состоит преимущественно из одной полинуклеотидной цепи. Структура нуклеотидов в РНК сходна с таковой ДНК, но имеются следующие отличия :

1. Вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов РНК входит рибоза;

2. Вместо азотистого основания тимина – урацил.

В клетке существует несколько видов РНК, которые различаются по величине молекул, структуре, расположению в клетке и функциям.

Информационная (матричная) РНК – иРНК(мРНК) синтезируется на участке одной из цепи молекулы ДНК и передаёт информацию о структуре белка из ядра клеток к рибосомам. Она состоит из 300-3000 (другие авторы дают 300-30000) нуклеотидов и составляет 3-5% всей РНК клетки.

Подобно до молекулы ДНК имеет вторичную и третичную структуры, которые формируются с помощью водородных связей, гидрофобных, электростатических взаимодействий.

Рибосомальная РНК (рРНК) составляет 80-85% всей РНК клетки. Содержит 3000-5000 нуклеотидов. Входит в состав рибосом. Считают, что рРНК обеспечивает определенное пространственное взаиморасположение мРНК и тРНК при синтезе белка. Информация о структуре рРНК содержится в области вторичной перетяжки хромосом.

Транспортная РНК (тРНК) состоит из 70-80 нуклеотидов и составляет 10-15% всей РНК клетки. Функция тРНК – перенос аминокислот из цитоплазмы к месту синтеза белка в рибосомы. Молекулы тРНК имеют характерную вторичную структуру, называемую клеверным листом (рис.7.8).

Трёхмерная модель тРНК имеет компактную L-подобную форму. В тРНК выделяют четыре петли: акцепторную (служит местом присоединения аминокислоты), антикодоновую (узнаёт кодоны в иРНК) и две боковые.

Рис.7.8. Структура т-РНК

Гетерогенная ядерная РНК – гя-РНК. Является предшественником и-РНК у эукариот и превращается в и-РНК в результате процессинга. Обычно гя-РНК значительно длиннее и-РНК.

Малая ядерная РНК – мя-РНК. Принимает участие в процессе преобразования гя-РНК.

РНК-праймер – крошечная РНК (обычно 10 нуклеотидов), участвующая в процессе репликации ДНК.

Биологическая роль РНК состоит в сохранении, реализации, передачи наследственной информации и обеспечении биосинтеза белков.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)

АТФ – мононуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, моносахарида рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты (рис.7.9). Остатки фосфорной кислоты соединяются между собой макроэргическими связями. При необходимости в энергии, АТФ расщепляется и образуется аденозиндифосфорная кислота (АДФ) и фосфорный остаток. При этом выделяется энергия.

АТФ + Н 2 О = АДФ + Н 3 РО 4 + 40 кДж

АДФ также может распадаться с образованием АМФ (аденозинмонофосфорной кислоты) и остатка фосфорной кислоты.

АДФ + Н 2 О = АМФ + Н 3 РО 4 + 40 кДж

Рис.7.9. Схема строения АТФ и превращения ее в АДФ

Обратные реакции превращения АМФ в АДФ и АДФ в АТФ происходят с поглощением энергии в процессе энергетического обмена и фотосинтеза.

АТФ является универсальным источником энергии для всех процессов в жизнедеятельности живых организмов.

Нуклеиновые кислоты - это линейные неразветвленные гетерополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды, связанные фосфодиэфирными связями.

Нуклеотиды - это органические вещества, молекулы которых состоят из остатка пентозы (рибозы или дезоксирибозы), к которому ковалентно присоединены остаток фосфорной кислоты и азотистое основание. Азотистые основания в составе нуклеотидов делятся на две группы: пуриновые (аденин и гуанин) и пиримидиновые (цитозин, тимин и урацил). Дезоксирибонуклеотиды включают в свой состав дезоксирибозу и одно из азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц). Рибонуклеотиды включают в свой состав рибозу и одно из азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), урацил (У), цитозин (Ц).

В ряде случаев в клетках встречаются и разнообразные производные от перечисленных азотистых оснований - минорные основания, входящие в состав минорных нуклеотидов.

Нуклеиновые кислоты

Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Нуклеиновые кислоты обеспечивают хранение, воспроизведение и реализацию генетической (наследственной) информации. Эта информация отражена (закодирована) в виде нуклеотидных последовательностей. В частности, последовательность нуклеотидов отражает первичную структуру белков (см. ниже). Соответствие между аминокислотами и кодирующими их нуклеотидными последовательностями называется генетическим кодом. Единицей генетического кода ДНК и РНК является триплет - последовательность из трех нуклеотидов.

Нуклеиновые кислоты - это химически активные вещества. Они образуют разнообразные соединения с белками - нуклеопротеиды, или нуклеопротеины.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) - это нуклеиновая кислота, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды. ДНК является первичным носителем наследственной информации. Это означает, что вся информация о структуре, функционировании и развитии отдельных клеток и целостного организма записана в виде нуклеотидных последовательностей ДНК.

Реакции, в которых одна молекула гетерополимера служит матрицей (формой) для синтеза другой молекулы гетерополимера с комплементарной структурой, называются реакциями матричного типа. Если в ходе реакции образуются молекулы того же вещества, которое служит матрицей, то реакция называется автокаталитической. Если же в ходе реакции на матрице одного вещества образуются молекулы другого вещества, то такая реакция называется гетерокаталитической. Таким образом, репликация ДНК (то есть синтез ДНК на матрице ДНК) является автокаталитической реакцией матричного синтеза.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) - это нуклеиновая кислота, мономерами которой являются рибонуклеотиды.

В пределах одной молекулы РНК имеется несколько участков, которые комплементарны друг другу. Между такими комплементарными участками образуются водородные связи. В результате в одной молекуле РНК чередуются двуспиральные и односпиральные структуры, и общая конформация молекулы напоминает клеверный лист на черешке.

Азотистые основания, входящие в состав РНК, способны образовывать водородные связи с комплементарными основаниями и ДНК, и РНК. При этом азотистые основания образуют пары А=У, А=Т и Г≡Ц. Благодаря этому возможна передача информации от ДНК к РНК, от РНК к ДНК и от РНК к белкам.

В клетках обнаруживается три основных типа РНК, выполняющих различные функции:

1. Информационная, или матричная РНК (иРНК, или мРНК). Составляет 5% клеточной РНК. Служит для передачи генетической информации от ДНК на рибосомы при биосинтезе белка. В эукариотических клетках иРНК (мРНК) стабилизирована с помощью специфических белков. Это делает возможным продолжение биосинтеза белка даже в том случае, если ядро неактивно.

2. Рибосомная, или рибосомальная РНК (рРНК). Составляет 85% клеточной РНК. Входит в состав рибосом, определяет форму большой и малой рибосомных субъединиц, обеспечивает контакт рибосомы с другими типами РНК.

3. Транспортная РНК (тРНК). Составляет 10% клеточной РНК. Транспортирует аминокислоты к соответствующему участку иРНК в рибосомах. Каждый тип тРНК транспортирует определенную аминокислоту.

В клетках имеются и другие типы РНК, выполняющие вспомогательные функции.

Все типы РНК образуется в результате реакций матричного синтеза. В большинстве случаев матрицей служит одна из цепей ДНК. Таким образом, синтез РНК на матрице ДНК является гетерокаталитической реакцией матричного типа. Этот процесс называется транскрипцией и контролируется определенными ферментами - РНК-полимеразами (транскриптазами).

19. Синергетика возникла как попытка найти альтернативы существующим концепциям развития, которые исчерпали свои возможности в объяснении возникновения и развития сложноорганизо- ванных систем.

Исходным понятием синергетики является понятие хаоса. Хаос традиционно рассматривается как деструктивное начало, которое должно быть упорядочено. Синергетика считает, что в хаосе таится источник развития, который может привести к конструктивным результатам.

Синергетика, в отличие от других концепций развития, возвращает в лоно теории понятие случайности, реабилитирует его. Если в диалектической концепции и в классическом эволюционизме случайность рассматривалась как второстепенный и не имеющий значение фактор, забывающийся, стирающийся по прошествии времени, то синергетика поднимает случайность до уровня необ-ходимости.

Такие состояния, как неустойчивость, нарушенное равновесие также объявляются синергетикой как нормальное и естественное состояние.

Классические концепции понимают развитие как поступательное и безальтернативное движение. Развитие подчиняется строгому закону причинности. По причинным цепочкам ход развития может быть просчитан как в прошлое, так и в будущее. Развитие ретросказуемо и предсказуемо. Настоящее определяется прошлым, а будущее - настоящим.

Но один из ведущих теоретиков в области синергетики, И. При- гожин, обосновывает положение о том, что идея нестабильности существенно теснит идею детерминизма. Она позволила включить в поле зрения естествознания человеческую деятельность. И такие понятия, как нестабильность и непредсказуемость стали играть немаловажную роль в преодолении той разобщенности, которая всегда существовала между социальными науками и науками о природе.

Идея нестабильности означает, что траектории многих систем неустойчивы и мы не можем предсказывать их развитие на длительный отрезок. И. Пригожин называет эти интервалы «темпоральной экспонентой» и говорит, что после того, как мы переходим в новый интервал, информация о предыдущем может исчезнуть. Наше знание - это всего лишь небольшое окно в универсум и из-за нестабильности мира нам следует отказаться даже от меч- ты об исчерпывающем знании. Заглядывая в это окно, мы можем, конечно, экстраполировать имеющиеся знания за границы нашего видения и строить догадки по поводу того, каким мог быть механизм, управляющий динамикой универсума, но не более того.

В традиционной картине мира обусловленности отсутствует всякий риск, ибо протекание событий одновариантно и прогнозируемо. Синергетика же постулирует многовариантное видение мира, которое раскрывает перед человечеством возможность выбора с мерой ответственности за этот выбор. Основные идеи синергетики:

¦из хаоса может возникнуть новая структурно организованная определенность с новым вектором своего развития; ¦сложноорганизованные и самоорганизующиеся системы не могут развиваться по строго определенным законам, ибо в них большую роль играют моменты спонтанности и случайности; заявляющие о себе в точке «бифуркации». ¦для сложных систем существует несколько альтернативных путей развития. Эволюционный путь не является единственным;

Синергетика является одновременно и методом, и наукой об управлении сложноорганизованными системами. Главным рычагом этого управления является не сила, а правильная направленность, «архитектура» воздействия на сложноорганизованную среду.

Рассмотренные различные аспекты проблемы развития дают основание утверждать, что развитие - это особый тип изменений, благодаря которым мы получили тот мир, в котором живем. Многообразие природных и социальных феноменов не было дано изначально, а появилось в результате развития некоего исходного количества видов и форм. Поэтому невозможно понять мир вне контекста развития, но сам процесс развития становится все более комплексным и сложным, и объяснить его исходя из какой-либо одной теоретической модели практически невозможно.

Современные биологи и антропологи, как мы уже отмечали, полагают, что биологическая эволюция человека как вида, то есть его видообразование, прекратилось со времени появления Homo sapiens. В связи с этим встает вопрос о будущих направлениях развития человека как биологического вида. При ответе на него иногда высказывается мнение, что все виды животных и растений постепенно вымрут вследствие деградации генома (генетической программы развития). По мнению большинства ученых, главная опасность при этом состоит не в старении вида, а во все большем загрязнении биосферы различного рода отходами.

В силу своих родовых качеств человек должен бороться с природой. Но в этой борьбе не может быть победителей, потому что человек является частью биосферы и, уничтожая природу, человек губит самого себя, не замечая этого, как он не замечает радиоактивного излучения.

Все эти проблемы важны прежде всего потому, что здоровый человек свободен в своих поступках, в удовлетворении своих материальных и духовных потребностей (в рамках тех возможностей, которые ему дает общество). Болезнь же ограничивает человеческую свободу, добавляя к общественным ограничениям поступков человека рамки его собственного тела. Поэтому отношение человека к своему телу не может быть просто отношением к некой природной, естественной объективности - человек встречается с необходимостью, ее языком и властью. И власть эта, запечатленная в телесной организации человека, отличается особой жестокостью и императивностью. Практически каждый человек имел возможность убедиться в этом - достаточно вспомнить ощущение абсолютной беспомощности, которое охватывает человека в моменты достаточно тяжелых болезней.

Можно сказать, что телесность выступает как поток жизни, как жизнедеятельность человека в целом. А тело является статическим аспектом телесности, от которого человек никак и никогда не сможет избавиться, пока он живет. Ведь зачатием человек бросается в поток жизни помимо своей воли. Момент смерти также наступает в свой черед независимо от желаний человека. Каждая стадия возрастных изменений принудительно ввергает человека в новую жизненную ситуацию.

Таким образом, становится очевидным, что проблемы телесности, функционирования человеческого тела являются важной частью картины мира, а также предметом медицины -науки, изучающей причины возникновения болезней человека, закономерности их развития, методы их распознавания и лечения, а также формы оптимальной организации медицинской помощи населению.

Естественно, медицина не всегда была наукой, но всегда существовала как часть человеческой культуры, занимающаяся проблемами здоровья человека. Являясь частью культуры определенного народа и определенной эпохи, медицина по-разному в разное время объясняла причины болезней и рекомендовала разные способы их лечения.

Перестройку испытывает также аппарат психоэмоциональной адаптации. Здесь особое значение приобретает моторизация современного производства и быта, насыщение жизни техникой, шум, ускорение ритмов жизни, резкое возрастание числа межличностных контактов, нередко с отрицательным, болезнетворным психоэмоциональным зарядом.

Все вышеперечисленные факторы в конечном счете непосредственно определяют эволюцию болезней, изменение их тяжести, симптоматики, характера осложнений, ведут к исчезновению старых и возникновению новых болезней, резко изменяют характер заболеваемости. Широкое распространение в настоящее время получили заболевания, в возникновении которых большую роль играют психоэмоциональные факторы. Усиливающаяся социализация жизни современного человека сказывается на его соматической (телесной) патологии. Такие факторы, как профессия, отношение человека к труду, атмосфера производственного коллектива, оказывают существенное влияние на состояние его соматического и психического здоровья.

На разных ступенях социально-экономической зрелости общества требования, предъявляемые к уровню нервно-психических и мышечных, физических затрат, неодинаковы. В условиях научно-технической революции все более возрастают требования к нервно-психическим механизмам человека.

С переходом от одной ступени общественного развития к другой все более усложняются психоэмоциональные отношения людей. Все каналы эмоциональной взаимосвязи ныне до предела заполнены, а иногда перегружены. Нервная система человека подвергается постоянной, все возрастающей эмоционально-психической «бомбардировке», начиная от здоровых, тонизирующих, и кончая отрицательными, даже болезнетворными эмоциями. Возрастает темп жизни, укорачиваются сроки морального износа техники, происходит устаревание некоторых профессий, убыстряется развитие науки, техники, культуры и т.п. Все это предъявляет новые, повышенные требования к внутренним ресурсам человека, важным компонентом которых является психическое здоровье и эмоциональное равновесие.

Если современный этап общественного развития характеризуется ускорением темпов жизни во всех сферах, то скорости психофизиологических и соматических реакций организма нередко оказываются слишком замедленными, отстают от ритмов социальной и производственной жизни, возникает социально-биологическая аритмия как общая предпосылка возникновения многих заболеваний.

Поэтому закономерно, что здоровье населения страны с каждым годом ухудшается. В последние годы, например, 70 процентов современных женщин имеют отклонения в состоянии здоровья. До 20 процентов возросла доля новорожденных с физическими и неврологическими нарушениями. Важнейшим индикатором здоровья народа и социального благополучия общества является уровень младенческой смертности. В России этот показатель за последние 5 лет увеличился на 15 процентов.

Не менее удручающими являются показатели влияния некоторых компонентов окружающей среды на здоровье человека. Так, достоверно известно, что загрязненность воздуха вызывает заболевания органов дыхания, кровообращения, пищеварения и т.д. Кроме того, она является важнейшей из причин накопления мутаций организма, влияющих на генотип человека.

Примерно 85 процентов заболеваний вызываются и переносятся водой. К болезням приводит прежде всего низкое качество воды, содержащей различные токсичные соединения тяжелых металлов, вредные органические примеси и бактерии. Чем больше насыщенность воды солями, тем выше риск заболеть атеросклерозом, инсультом, инфарктом и т.д. В огромной степени нам портит здоровье хлор. Хотя хлорирование воды спасает от инфекций, однако его производные медленно и уверенно подрывают здоровье, так как обладают канцерогенным мутагенным эффектом. Они могут влиять на наследственность, многие из них являются сильнейшими печеночными ядами и т.д.

В условиях форсирования экологических преобразований и их возрастающего воздействия на здоровье населения особое значение приобретает изучение социально-генетических проблем биосферы и здоровья человека.

Нуклеиновые кислоты – фосфорсодержащие биополимеры живых организмов, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации. Открыты они в 1869 г. швейцарским химиком Ф. Мишером в ядрах лейкоцитов. Впоследствии нуклеиновые кислоты были обнаружены во всех растительных и животных клетках, бактериях, вирусах и грибах.

В природе существуют два вида нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК) Различие в названиях объясняется тем, что молекула ДНК содержит пятиуглеродный сахар дезоксирибозу, а молекула РНК – рибозу. В настоящее время известно большое числоразновидностей ДНК и РНК, отличающихся друг от друга. По строению и значению в метаболизме.

ДНК локализуется преимущественно в хромосомах клеточного ядра (99 % всей ДНК клетки), а также в митохондриях и хлоропластах. РНК, кроме ядра, входит в состав рибосом, цитоплазмы, пластид и митохондрий.

Нуклеиновые кислоты – сложные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды . В состав каждого нуклеотида входит пятиуглеродный сахар (рибоза или дезоксирибоза), азотистое основание и остаток фосфорной кислоты.

Существует пять основных азотистых оснований: аденин, гуанин, урацил, тимин и цитозин. Первые два являются пуриновыми – их молекулы состоят из двух соединенных между собой колец. Следующие три являются пиримидинами и имеют одно шестичленное кольцо.

Названия нуклеотидов происходят от названия соответствующих азотистых оснований; и те и другие обозначаются заглавными буквами: аденин – аденилат (А), гуанин – гуа-нилат (Г), цитозин – цитидилат (Ц), урацил – уридилат (У), тимин – дезокситимилилат (Т).

Количество нуклеотидов в молекуле нуклеиновых кислот бывает разным – от 80 в молекулах транспортных РНК до нескольких десятков миллионов у ДНК.

Молекула ДНК – это двухцепочечная спираль, закрученная вокруг собственной оси.

В полинуклеотидной цепочке соседние нуклеотиды связаны между собой ковалентными связями, которые образуются между фосфатной группой одного нуклеотида и З’-спиртовой группой пентозы другого. Такие связи называются фосфодиэфирными. Фосфатная группа образует мостик между З’-углеродом одного пентозного цикла и 5’-углеродом следующего.

Остов цепей ДНК образован, таким образом, сахарофосфатными остатками.

Полинуклеотидная цепь ДНК закручена в виде спирали, напоминая винтовую лестницу и соединена с другой, комплементарной ей цепью с помощью водородных связей, образующихся между аденином и тимином (две связи), а также гуанином и цитозином (три связи). Нуклеотиды А и Т, Г и Ц называются комплементарными. В результате у всякого организма число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых - числу цитидиловых. Эта закономерность получила название «правило Чаргаффа». Благодаря этому свойству последовательность нуклеотидов в одной цепи определяет их последовательность в другой. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов называется комплементарностъю , и это свойство лежит в основе образования новых молекул ДНК на базе исходной молекулы.

Цепи в молекуле ДНК противоположно направлены, т. е., если одна цепь имеет направление от З’-конца к 5’-концу, то в другой цепи З’-концу соответствует 5’-конец и наоборот. Это свойство биспирали ДНК называется антипараллельностью .

Впервые двухцепочечная модель молекулы ДНК была предложена в 1953 г. американским ученым Дж. Уотсоном и англичанином Ф. Криком. Он объединил данные Э. Чаргаффа о соотношении пуриновых и пиримидиновых оснований молекул ДНК и результаты рентгеноструктурного анализа, полученные М. Уилкинсом и Р. Франклин. За разработку двухспиральной модели молекулы ДНК Уотсон, Крик и Уилкинс были удостоены в 1962 г. Нобелевской премии.

ДНК – самые крупные биологические молекулы. Их длина составляет от 0,25 мм – у некоторых бактерий до 40 мм – у человека. Это значительно больше самой крупной молекулы белка, которая в развернутом виде достигает не более 100-200 нм. Масса молекулы ДНК составляет 6 ∙ 10 -12 г.

Диаметр молекулы ДНК – 2 нм, шаг спирали – 3,4 нм; каждый виток спирали содержит 10 пар нуклеотидов. Спиральная структура поддерживается многочисленными водородными связями, возникающими между комплементарными азотистыми основаниями, и гидрофобными взаимодействиями. Молекулы ДНК эукариотических организмов линейны. У прокариот ДНК, напротив, замкнута в кольцо и не имеет ни 3’-, ни 5’-концов.

Подобно белкам при изменении условий ДНК может подвергаться денатурации , которая называется плавлением. При постепенном возврате к нормальным условиям ДНК ренатурирует.

Функции ДНК . Функцией ДНК является хранение, передача и воспроизведение в ряду поколений генетической информации. В ДНК любой клетки закодирована информация о всех белках данного организма, о том, какие белки и в какой последовательности будут синтезироваться.

Строение молекул РНК во многом сходно со строением молекул ДНК. Однако имеется и ряд существенных отличий. В молекуле РНК вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов входит рибоза. Вместо тимидилового нуклеотида (Т) входит уридиловый (У). Главное отличие от ДНК состоит в том, что молекула РНК представляет собой одну цепь. Однако ее нуклеотиды способны образовывать водородные связи между собой (например, в молекулах тРНК, рРНК), но в этом случае речь идет о внутрицепочечном соединении комплементарных нуклеотидов.

Цепочки РНК значительно короче ДНК.

Виды РНК

В клетке существует несколько видов РНК, которые различаются по величине молекул, структуре, расположению в клетке и функциям.

Информационная (матричная) РНК – мРНК – наиболее разнородная по размерам и структуре. мРНК представляет собой незамкнутую полинуклеотидную цепь. Она синтезируется в ядре при участии фермента РНК-полимеразы по принципу комплементарности участку ДНК, отвечающего за кодирование данного белка. мРНК выполняет важнейшую функцию в клетке. Она служит в качестве матриц для синтеза белков, передавая информацию об их структуре с молекул ДНК. Каждый белок клетки кодируется специфичной ему мРНК.

Рибосомная РНК – рРНК . Это одноцепочечные нуклеиновые кислоты, которые в комплексе с белками образуют рибосомы – органеллы, на которых происходит синтез белка. Информация о структуре рРНК закодирована в участках ДНК, расположенных в области вторичной перетяжки хромосом. На долю рРНК приходится 80 % всей РНК клетки, поскольку клетки содержат большое количество рибосом. рРНК обладают сложной вторичной и третичной структурой, образуя петли на комплементарных участках, что приводит к самоорганизации этих молекул в сложное по форме тело. В состав рибосом входят 3 типа рРНК – у прокариот и 4 типа рРНК – у эукариот.

Транспортная (трансферная) РНК – тРНК . Молекула тРНК состоит в среднем из 80 нуклеотидов. Содержание тРНК в клетке – около 15 % всей РНК. Функция тРНК – перенос аминокислот к месту синтеза белка и участие в процессе трансляции. Число различных типов тРНК в клетке невелико (около 40). Все они имеют сходную пространственную организацию. Благодаря внутрицепочечным водородным связям молекула тРНК приобретает характерную вторичную структуру, называемую клеверным листом .

Трехмерная же модель тРНК выглядит несколько иначе. В тРНК выделяют четыре петли: акцепторную (служит местом присоединения аминокислоты), антикодоновую (узнает кодон в мРНК в процессе трансляции), две боковые.

В живом организме присутствуют три основные макромолекулы: белки и нуклеиновые кислоты двух видов. Благодаря им поддерживается жизнедеятельность и правильное функционирование всего организма. Что такое нуклеиновые кислоты? Для чего они необходимы? Об этом - далее в статье.

Общая информация

Нуклеиновая кислота - это биополимер, органическое соединение с высокой молекулярностью, которое образовано остатками нуклеотидов. Передача от поколения к поколению всей генетической информации - главная задача, которую выполняют нуклеиновые кислоты. Презентация, которая представлена ниже, раскроет данное понятие более подробно.

История исследования

Первый изученный нуклеотид был выделен из мышц быка в 1847-м году и назван «инозиновая кислота». В результате изучения химического строения было выявлено, что она является рибозид-5′-фосфатом и хранит в себе N-гликозидную связь.В 1868-м году было обнаружено вещество под названием «нуклеин». Открыл его швейцарский химик Фридрих Мишер во время исследований некоторых биологических субстанций. В состав этого вещества входил фосфор. Соединение обладало кислотными свойствами и не подвергалось разложению под влиянием протеолитических ферментов.

Вещество получило формулу C29H49N9O22P3.Предположение об участии нуклеина в процессе передачи наследственной информации было выдвинуто в результате обнаружения аналогичности его химического состава с хроматином. Этот элемент является основным компонентом хромосом.Термин «нуклеиновая кислота» впервые был введен в 1889-м году Рихардом Альтманом. Именно он стал автором способа получения этих веществ без белковых примесей.В ходе исследования щелочного гидролиза нуклеиновых кислот Левин и Жакоб выявили основные компоненты продуктов этого процесса. Ими оказались нуклеотиды и нуклеозиды. В 1921-м году Левин предположил, что ДНК имеет тетрануклеотидное строение. Однако эта гипотеза не нашла подтверждения и оказалась ошибочной.

Классификация

Нуклеиновые кислоты бывают двух видов: ДНК и РНК. Их присутствие обнаруживается в клетках всех живых организмов. ДНК в основном содержится в ядре клетки. РНК находится в цитоплазме. В 1935 году, в ходе мягкого фрагментирования ДНК, были получены 4 ДНК-образующих нуклеотида. Эти компоненты представлены в состоянии кристаллов. В 1953 году Уотстон и Крик определили, что у ДНК существует двойная спираль.

Методы выделения

Разработаны различные способы получения соединений из естественных источников. Главными условиями этих методик являются результативное разделение нуклеиновых кислот и белков, наименьшая фрагментация веществ, полученных в ходе процесса. На сегодняшний день широко используется классический способ. Суть этого метода заключается в разрушении стенок биологического материала и дальнейшей их обработке анионным детергентом. В результате получается осадок из белка, а нуклеиновые кислоты остаются в растворе. Используется и другой метод. В этом случае нуклеиновые кислоты могут оседать в гелевом состоянии с помощью использования этанола и солевого раствора. При этом следует соблюдать определенную осторожность. В частности, добавлять этанол нужно с большой аккуратностью в солевой раствор для получения гелевого осадка. В какой концентрации выделилась нуклеиновая кислота, какие примеси в ней присутствуют, можно определить спектрофотометрическим методом. Нуклеиновые кислоты с легкостью подвергаются деградации с помощью нуклеазы, представляющей особый класс ферментов. При таком выделении необходимо, чтобы лабораторное оборудование прошло обязательную обработку ингибиторами. К ним относится, например, ингибитор DEPC, который применяется при выделении РНК.

Физические свойства

Нуклеиновые кислоты обладают хорошей растворимостью в воде, а в органических соединениях почти не растворяются. Кроме того, они особо восприимчивы к показателям температуры и уровня рН. Молекулы нуклеиновых кислот, обладающие высокой молекулярной массой, могут фрагментироваться нуклеазой под влиянием механических сил. К таковым относятся перемешивание раствора, его взбалтывание.

Нуклеиновые кислоты. Строение и функции

В клетках встречаются полимерные и мономерные формы рассматриваемых соединений. Полимерные формы называются полинуклеотидами. В таком виде цепочки нуклеотидов связываются остатком фосфорной кислоты. Из-за содержания двух видов гетероциклических молекул, называемых рибозой и дезоксорибозой, кислоты, соответственно, бывают рибонуклеиновые и дезоксирибонуклеиновые. С их помощью происходит хранение, передача и реализация наследственной информации. Из мономерных форм нуклеиновых кислот наиболее популярная аденозинтрифосфорная кислота. Она участвует в передаче сигналов и обеспечении запасов энергии в клетке.

ДНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота является макромолекулой. С ее помощью происходит процесс передачи и реализации генетической информации. Эти сведения необходимы для программы развития и функционирования живого организма. У животных, растений, грибов ДНК входит в состав хромосом, находящихся в ядре клетки, а также находится в митохондриях и пластидах. У бактерий и архей молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты цепляется за клеточную мембрану с внутренней стороны. В таких организмах присутствуют в основном кольцевые молекулы ДНК. Они получили название "плазмиды". По химическому строению дезоксирибонуклеиновая кислота представляет собой полимерную молекулу, состоящую из нуклеотидов. Эти компоненты, в свою очередь, имеют в своем составе азотистое основание, сахар и фосфатную группу. Именно за счет двух последних элементов образуется связь между нуклеотидами, создавая цепи. В основном макромолекула ДНК представлена в виде спирали из двух цепей.

РНК

Рибонуклеиновая кислота представляет собой длинную цепь, состоящую из нуклеотидов. В их составе присутствуют азотистое основание, сахар рибозы и фосфатная группа. Генетическая информация кодируется с помощью последовательности нуклеотидов. РНК используется для программирования синтеза белков. Рибонуклеиновая кислота создается в ходе транскрипции. Это процесс синтеза РНК на матрице ДНК. Он происходит при участии специальных ферментов. Называются они РНК-полимеразами. После этого матричные рибонуклеиновые кислоты участвуют в процессе трансляции. Так происходит осуществление синтеза белка на матрице РНК. Активное участие в этом процессе принимают рибосомы. Остальные РНК в завершение транскрипции проходят химические преобразования. В результате происходящих изменений образуются вторичная и третичная структуры рибонуклеиновой кислоты. Они функционируют в зависимости от типа РНК.