Nukleinske kiseline i njihov sastav. Hemijska svojstva nukleinskih kiselina

NUKLEINSKE KISELINE
biopolimeri koji se sastoje od ostataka fosforne kiseline, šećera i azotnih baza (purina i pirimidina). Imaju temeljni biološki značaj, jer sadrže u kodiranom obliku sve genetske informacije bilo kojeg živog organizma, od ljudi do bakterija i virusa, koje se prenose s jedne generacije na drugu. Nukleinske kiseline je prvi izolovao iz ljudskih gnojnih stanica i sperme lososa švicarski liječnik i biohemičar F. Miescher između 1869. i 1871. godine. Kasnije je ustanovljeno da postoje dvije vrste nukleinskih kiselina: ribonukleinska kiselina (RNA) i deoksiribonukleinska kiselina (DNK) , ali su njihove funkcije dugo vremena ostale nepoznate. Godine 1928. engleski bakteriolog F. Griffith otkrio je da ubijeni patogeni pneumokoki mogu promijeniti genetska svojstva živih nepatogenih pneumokoka, pretvarajući ove potonje u patogene. Godine 1945. mikrobiolog O. Avery sa Rockefeller instituta u New Yorku napravio je važno otkriće: pokazao je da je sposobnost genetske transformacije posljedica prijenosa DNK iz jedne ćelije u drugu, te je stoga genetski materijal DNK. 1940-1950, J. Beadle i E. Tatum sa Univerziteta Stanford (Kalifornija) otkrili su da sintezu proteina, posebno enzima, kontrolišu specifični geni. Godine 1942. T. Kasperson u Švedskoj i J. Brachet u Belgiji otkrili su da su nukleinske kiseline posebno bogate u stanicama koje aktivno sintetiziraju proteine. Svi ovi podaci sugeriraju da je genetski materijal nukleinska kiselina i da je na neki način uključena u sintezu proteina. Međutim, u to vrijeme mnogi su vjerovali da molekuli nukleinske kiseline, uprkos velikoj dužini, imaju previše jednostavnu strukturu koja se periodično ponavlja da bi nosila dovoljno informacija da bi poslužila kao genetski materijal. No, krajem 1940-ih, E. Chargaff u SAD-u i J. Wyatt u Kanadi, koristeći metodu particione hromatografije na papiru, pokazali su da struktura DNK nije tako jednostavna i da ovaj molekul može poslužiti kao nosilac genetske informacije.

Strukturu DNK uspostavili su 1953. godine M. Wilkins, J. Watson i F. Crick u Engleskoj. Ovo fundamentalno otkriće omogućilo je razumijevanje kako dolazi do udvostručavanja (replikacije) nukleinskih kiselina. Ubrzo nakon toga, američki istraživači A. Downs i J. Gamow sugerirali su da je struktura proteina na neki način kodirana u nukleinskim kiselinama, a do 1965. godine ovu hipotezu su potvrdili mnogi istraživači: F. Crick u Engleskoj, M. Nirenberg i S. Ochoa u SAD, H. Koran u Indiji. Sva ova otkrića, rezultat stoljeća proučavanja nukleinskih kiselina, proizvela su pravu revoluciju u biologiji. Omogućili su objašnjenje fenomena života u okviru interakcije između atoma i molekula.
Vrste i distribucija. Kao što smo već rekli, postoje dvije vrste nukleinskih kiselina: DNK i RNK. DNK je prisutna u jezgrima svih biljnih i životinjskih stanica, gdje je kompleksirana s proteinima i sastavni je dio hromozoma. Kod jedinki svake specifične vrste, sadržaj nuklearne DNK je obično isti u svim stanicama, osim u gametama (jaja i spermatozoida), gdje je DNK upola manji. Dakle, količina ćelijske DNK je specifična za vrstu. DNK se takođe nalazi izvan jezgra: u mitohondrijima („energetske stanice“ ćelija) i u hloroplastima (čestice u kojima se odvija fotosinteza u biljnim ćelijama). Ove subćelijske čestice imaju određenu genetsku autonomiju. Bakterije i cijanobakterije (plavo-zelene alge) sadrže umjesto hromozoma jednu ili dvije velike DNK molekule povezane s malom količinom proteina, a često i manje molekule DNK zvane plazmidi. Plazmidi nose korisne genetske informacije, na primjer sadrže gene za otpornost na antibiotike, ali nisu bitni za život same ćelije. Određena količina RNK je prisutna u ćelijskom jezgru, ali najveći dio je u citoplazmi - tečnom sadržaju stanice. Veći dio je ribosomalna RNK (rRNA). Ribosomi su najmanja tijela na kojima se odvija sinteza proteina. Mala količina RNK predstavlja transfer RNK (tRNA), koja je također uključena u sintezu proteina. Međutim, obje ove klase RNK ne nose informacije o strukturi proteina – takve informacije sadržane su u matriksu, ili informaciji, RNK (mRNA), koja čini samo mali dio ukupne ćelijske RNK. Genetski materijal virusa je ili DNK ili RNK, ali nikada oboje u isto vrijeme.
OPĆA SVOJSTVA
Molekule nukleinske kiseline sadrže mnoge negativno nabijene fosfatne grupe i formiraju komplekse s ionima metala; njihove kalijumove i natrijumove soli su visoko rastvorljive u vodi. Koncentrovani rastvori nukleinskih kiselina su veoma viskozni i blago opalescentni, au čvrstom obliku ove supstance su bele. Nukleinske kiseline snažno apsorbiraju ultraljubičasto svjetlo, a ovo svojstvo leži u osnovi određivanja njihove koncentracije. Mutageni efekat ultraljubičastog svjetla također je povezan s ovim svojstvom. Duge molekule DNK su krhke i lako se lome, na primjer kada se otopina progura kroz špric. Stoga rad s visokomolekularnom DNK zahtijeva posebnu pažnju.
Hemijska struktura. Nukleinske kiseline su dugi lanci koji se sastoje od četiri ponavljajuće jedinice (nukleotida). Njihova struktura se može predstaviti na sljedeći način:

Simbol F predstavlja fosfatnu grupu. Naizmjenični ostaci šećera i fosforne kiseline formiraju šećerno-fosfatnu kičmu molekule, koja je ista za svu DNK, a njihova ogromna raznolikost je posljedica činjenice da četiri azotne baze mogu biti smještene duž lanca u vrlo različitim sekvencama. Šećer u nukleinskim kiselinama je pentoza; četiri od njegovih pet atoma ugljika, zajedno s jednim atomom kisika, formiraju prsten. Atomi ugljika pentoze označeni su brojevima od 1" do 5". U RNK šećer je predstavljen ribozom, au DNK dezoksiribozom koja sadrži jedan atom kisika manje. Fragmenti DNK i RNK polinukleotidnih lanaca prikazani su na slici.

Vodikove veze koje povezuju baze suprotnih lanaca klasificirane su kao slabe, ali zbog svog obilja u molekuli DNK, čvrsto stabiliziraju njenu strukturu. Međutim, ako se otopina DNK zagrije na približno 60°C, te veze se prekidaju i lanci se razilaze - dolazi do denaturacije (taljenja) DNK. Oba lanca DNK su spiralno uvijena oko zamišljene ose, kao da su namotana na cilindar. Ova struktura se naziva dvostruka spirala. Postoji deset parova baza za svaki okret spirale.

DNK DOUBLE HElix. Struktura DNK podsjeća na spiralno stepenište. Njegove strane se sastoje od naizmjeničnih ostataka šećera i fosfatnih grupa; Svaki ostatak šećera u jednoj bočnoj stijenci povezan je sa svojim partnerom u drugoj "prečkom" koja se sastoji od purina (adenin ili guanin) i pirimidina (citozin ili timin), pri čemu se adenin povezuje samo s timinom, a guanin sa citozinom.

Korespondencija A"T i G"C naziva se pravilo komplementarnosti, a sami lanci se nazivaju komplementarni. Prema ovom pravilu, sadržaj adenina u DNK je uvijek jednak sadržaju timina, a količina gvanina je uvijek jednaka količini citozina. Treba napomenuti da dva lanca DNK, iako se hemijski razlikuju, nose istu informaciju, jer zbog komplementarnosti jedan lanac jedinstveno specificira drugi. Struktura RNK je manje uređena. Obično je jednolančana molekula, iako se RNK nekih virusa sastoji od dva lanca. Ali čak je i ova RNK fleksibilnija od DNK. Neki regioni u molekuli RNK su međusobno komplementarni i, kada je lanac savijen, uparuju se i formiraju dvolančane strukture (ukosnice). Ovo se prvenstveno odnosi na transfer RNK (tRNA). Neke baze u tRNA prolaze kroz modifikaciju nakon što se molekul sintetiše. Na primjer, ponekad im se dodaju metilne grupe.
FUNKCIJA NUKLEINSKIH KISELINE
Jedna od glavnih funkcija nukleinskih kiselina je određivanje sinteze proteina. Informacije o strukturi proteina kodiranih u nukleotidnoj sekvenci DNK moraju se prenositi s jedne generacije na drugu, te je stoga neophodno njeno kopiranje bez grešaka, tj. sinteza potpuno istog molekula DNK (replikacija).
Replikacija i transkripcija. Sa hemijske tačke gledišta, sinteza nukleinskih kiselina je polimerizacija, tj. sekvencijalno povezivanje građevnih blokova. Nukleozid trifosfati služe kao takvi blokovi; reakcija se može predstaviti na sljedeći način:

Energija potrebna za sintezu oslobađa se kada se ukloni pirofosfat, a reakciju kataliziraju posebni enzimi - DNK polimeraze. Kao rezultat takvog sintetičkog procesa, dobili bismo polimer sa slučajnim nizom baza. Međutim, većina polimeraza djeluje samo u prisustvu već postojećeg šablona nukleinske kiseline koji diktira koji će nukleotid biti dodat na kraj lanca. Ovaj nukleotid mora biti komplementaran odgovarajućem nukleotidu šablona, ​​tako da novi lanac bude komplementaran originalnom. Do tada, koristeći komplementarni niz kao šablon, dobijamo tačnu kopiju originala. DNK se sastoji od dva međusobno komplementarna lanca. Tokom replikacije, oni se razilaze, a svaki od njih služi kao šablon za sintezu novog lanca:

Ovo stvara dvije nove dvostruke spirale sa istom baznom sekvencom kao originalna DNK. Ponekad proces replikacije „neuspješno“ i dolazi do mutacija (vidi i NASLJEDNO). Kao rezultat transkripcije DNK, formiraju se stanične RNA (mRNA, rRNA i tRNA):

Oni su komplementarni jednom od lanaca DNK i kopija su drugog lanca, osim što uracil zauzima mjesto timina. Na ovaj način možete dobiti mnogo RNK kopija jednog od DNK lanaca. U normalnoj ćeliji prijenos informacija se događa samo u smjeru DNK -> DNK i DNK -> RNA. Međutim, u ćelijama zaraženim virusom mogući su i drugi procesi: RNA -> RNA i RNA -> DNK. Genetski materijal mnogih virusa je molekula RNK, obično jednolančana. Nakon što je prodrla u ćeliju domaćina, ova RNK se replicira kako bi formirala komplementarnu molekulu, na kojoj se, zauzvrat, sintetiziraju mnoge kopije originalne virusne RNK:

Virusna RNK se može prepisati enzimom zvanim reverzna transkriptaza u DNK, koja se ponekad ugrađuje u hromozomski DNK ćelije domaćina. Ova DNK sada nosi virusne gene, a nakon transkripcije, virusna RNK se može pojaviti u ćeliji. Tako će se, nakon dužeg vremena tokom kojeg se u ćeliji ne otkrije nijedan virus, ponovo pojaviti u njoj bez ponovne infekcije. Virusi čiji je genetski materijal umetnut u hromozom ćelije domaćina često su uzročnici raka.
Prevođenje nukleinskih kiselina u proteine. Genetske informacije kodirane u nukleotidnoj sekvenci DNK prevode se ne samo na jezik nukleotidne sekvence RNK, već i na jezik aminokiselina - monomernih jedinica proteina. Molekul proteina je lanac aminokiselina. Svaka aminokiselina sadrži kiselu karboksilnu grupu -COOH i bazičnu amino grupu -NH2. Karboksilna grupa jedne aminokiseline se vezuje za amino grupu druge, formirajući amidnu vezu, i ovaj proces se nastavlja sve dok se ne formira lanac koji sadrži do 1000 aminokiselina (vidi i PROTEINI). Proteini sadrže 20 različitih aminokiselina, čiji redoslijed određuje njihovu prirodu i funkcije. Ova sekvenca je određena nukleotidnom sekvencom odgovarajućeg gena - dio DNK koji kodira ovaj protein. Međutim, DNK sama po sebi nije šablon za sintezu proteina. Prvo se transkribuje u jezgru da bi se formirala glasnička RNK (mRNA), koja difunduje u citoplazmu, a protein se na njoj sintetiše kao šablon. Proces je ubrzan zbog činjenice da se mnogi proteinski molekuli mogu sintetizirati istovremeno na svakom molekulu mRNA. Replikacija nukleinskih kiselina odvija se zbog stvaranja vodikovih veza između komplementarnih baza roditeljskog i kćeri lanaca. Aminokiseline ne stvaraju vodikove veze sa bazama, tako da direktno kopiranje šablona nije moguće. Oni stupaju u interakciju s matriksom indirektno, preko “adapterskih” nukleinskih kiselina - malih molekula prijenosne RNK (tRNA), koja se sastoji od otprilike 80 baza i sposobna da se veže za mRNA. Svaka tRNA sadrži specifičnu sekvencu od tri baze, antikodon, koji je komplementaran grupi od tri baze, kodon, u mRNA. Antikodoni stupaju u interakciju s kodonima prema pravilu komplementarnosti, na isti način kao što su u interakciji dva lanca DNK. Dakle, slijed baza u mRNA određuje redoslijed dodavanja tRNA koje nose aminokiseline. Šematski, prijenos informacija s DNK na protein može se predstaviti na sljedeći način:

Redoslijed baza u DNK određuje redoslijed aminokiselina u proteinu, budući da se svaka aminokiselina dodaje određenim enzimom samo određenim tRNA, a one, pak, samo određenim kodonima u mRNA. Kompleksi tRNA-amino kiselina vezuju se za šablon jedan po jedan. Glavne faze sinteze proteina su navedene u nastavku (vidi i sliku).

Collier's Encyclopedia. - Otvoreno društvo. 2000 .

Pogledajte šta su "NUKLEINSKE KISELINE" u drugim rječnicima:

Polinukleotidi, biopolimeri koji sadrže fosfor, koji su univerzalno rasprostranjeni u živoj prirodi. Prvi ih je otkrio F. Miescher 1868. godine u stanicama bogatim nuklearnim materijalom (leukociti, sperma lososa). Termin „N. Za." predloženo 1889. godine... Biološki enciklopedijski rječnik

- (polinukleotidi), visokomolekularna organska jedinjenja formirana od nukleotidnih ostataka. Ovisno o tome koji je ugljikohidrat dio nukleinske kiseline deoksiriboze ili riboze, pravi se razlika između deoksiribonukleinske kiseline (DNK) i... ... Moderna enciklopedija

Dokazi o genetskoj ulozi DNK

Naziv "nukleinske kiseline" dolazi od latinske riječi "nukleus", tj. jezgro. Prvi put ih je 1868. otkrio I.F. Miescher u jezgrima leukocita.

Eksperimenti iz 1940-ih i 1950-ih uvjerljivo su dokazali da su upravo nukleinske kiseline (a ne proteini, kako su mnogi pretpostavljali) nosioci nasljednih informacija u svim organizmima. Ovi eksperimenti su otkrili biološku prirodu fenomena transformacije i transdukcije, na nivou mikroorganizama, mehanizmi interakcije između organizama i ćelija.

Transformacija(od latinske transformacije - transformacija, promjena) - promjena nasljednih svojstava bakterijske ćelije kao rezultat prodiranja strane DNK u nju. Prvi put otkrio F. Griffiths 1928. godine. Griffiths je otkrio da kada su miševima istovremeno ubrizgana dva soja pneumokoka (R-soj, nevirulentni i S-soj, virulentan, ali ubijen toplinom), nakon nekoliko dana uginu i virulentni pneumokoki S-soja pronađeni su u njihovoj krvi (slika 7.1.).

OVO. Avery je zajedno sa svojim kolegama (1944.) ustanovio da su molekuli DNK faktor koji transformiše nepatogene bakterije u patogene.

Sa otkrićem i proučavanjem transformacije, postalo je jasno da je DNK materijalni nosilac nasljednih informacija. Transformacija je moguća i u ćelijama viših organizama.

Transdukcija (od latinskog transductio - kretanje) - prijenos fragmenata DNK od strane bakteriofaga iz jedne bakterijske stanice u drugu, što dovodi do promjene nasljednih svojstava stanice. Unesena informacija tokom procesa replikacije DNK prenosi se nizom ćelijskih generacija bakterije.

Fenomen transdukcije je potvrda genetske uloge DNK, a koristi se i za proučavanje strukture hromozoma, strukture gena i jedna je od metoda genetskog inženjeringa.

Fig.7. 1. Šematski prikaz Griffithsovog eksperimenta: a – miš kome je ubrizgana kultura patogenog inkapsuliranog soja S-pneumokoka umire; b – miš kome je ubrizgana kultura nepatogenog nekapsularnog R-mutanta ne ugine; c – miš koji je primio injekciju kulture S-soja ubijene toplinom ne umire; Miš koji je injekcijom primio mješavinu žive R-mutantne kulture i kulture S-soja ubijene toplinom, umire.

Još jedan dokaz da su nukleinske kiseline, a ne proteini, materijalni supstrat genetske informacije, bili su eksperimenti H. Frenkel-Konratha (1950) s virusom mozaika duhana (TMV).

Šema eksperimenata H. Frenkel-Konratha

Tako je otkrićem hemijske prirode faktora transformacije i transdukcije kod bakterija i mehanizama interakcije između virusa i ćelije dokazana uloga nukleinskih kiselina u prenošenju nasljednih informacija.

Struktura nukleinske kiseline

Nukleinske kiseline su polimeri čiji su monomeri nukleotidi. Nukleotid uključuje dušičnu bazu, pentozni ugljikohidrat i ostatak fosforne kiseline (slika 7.2.).

Sl.7.2. Struktura nukleotida

Dušične baze nukleotida dijele se u dvije vrste: pirimidin(sastoje se od jednog 6-članog prstena) i purin(sastoje se od dva spojena 5- i 6-člana prstena). Svaki atom ugljika baznih prstenova ima svoj specifičan broj, ali sa osnovnim indeksom (′). U nukleotidu, dušična baza je uvijek vezana za prvi atom pentoznog ugljikohidrata.

Azotne baze određuju jedinstvenu strukturu molekula DNK i RNK. Nukleinske kiseline sadrže 5 glavnih tipova azotnih baza (purin – adenin i gvanin, pirimidin – timin, citozin, uracil) i više od 50 retkih (atipičnih) baza. Osnovne azotne baze su označene početnim slovima A, G, T, C, U. Nukleotidi su imenovani prema dušičnim bazama koje sadrže (tabela 7.1.).

Tabela 7.1. Vrste azotnih baza, nukleozida i nukleotida RNK i DNK

Formiranje linearnog polinukleotidnog lanca događa se formiranjem fosfodiestarska veza pentoze jednog nukleotida sa fosfatom drugog. Pentoza fosfatna kičma se sastoji od (5′-3′) veza. Završni nukleotid na jednom kraju lanca uvijek ima slobodnu 5′ grupu, a na drugom 3′ grupu.

Sl.7.3. Formiranje polipeptidnih lanaca DNK i RNK molekula

U prirodi postoje dvije vrste nukleinskih kiselina: DNK i RNK. U prokariotskim i eukariotskim organizmima genetske funkcije obavljaju obje vrste nukleinskih kiselina. Virusi uvijek sadrže samo jednu vrstu nukleinske kiseline.

Glavne razlike između DNK i RNK prikazane su u tabeli 7.2.

Tabela 7.2. Karakteristike nukleinskih kiselina

DNK

azotna baza:

adenin, gvanin, timina , citozin

ugljikohidrata: deoksiriboza C 5 H 10 O 4

ostatak fosforne kiseline

RNA

azotna baza:

adenin, gvanin, timin, uracil

ugljeni hidrati: riboza C 5 H 10 O 5

ostatak fosforne kiseline

Deoksiribonukleinska kiselina (DNK)

E. Chargaf je 1951. formulisao pravila sastava nukleotida DNK:

1. Ćelije različitih tkiva u tijelu imaju isti nukleotidni sastav DNK.

2. Organizmi iste vrste imaju različite nukleotidne sastave.

3. U molekulu DNK A=T i G=C, A+G = T+C. Za svaku vrstu organizma, odnos A + G / T + C je specifičan (kod ljudi taj odnos je 1,52).

Ova pravila su postala ključ za otključavanje makromolekularne strukture DNK.

Strukturu molekula DNK prvi su dešifrovali J. Watson i F. Crick 1953. godine. Prema njihovom modelu, DNK se sastoji od dva polinukleotidna lanca, spiralno uvijena jedan u odnosu na drugi.

Monomeri ovih lanaca su nukleotidi. Nukleotidi se spajaju u lanac formiranjem fosfodiestarskih (kovalentnih) veza između deoksiriboze jednog nukleotida i ostatka fosforne kiseline drugog, susjednog nukleotida (slika 7.4.).

Dva polinukleotidna lanca se kombinuju u molekulu DNK koristeći vodonične veze između azotnih baza nukleotida različitih lanaca. Dušične baze su povezane po principu komplementarnosti. (adenin se povezuje sa timinom pomoću dve vodikove veze, a gvanin se povezuje sa citozinom pomoću tri)

Sl.7.4. Princip komplementarnosti

Princip komplementarnosti jedan je od temeljnih zakona žive prirode koji određuje mehanizam prenošenja nasljednih informacija.

Polinukleotidni lanci jednog molekula su antiparalelni, tj. Nasuprot 3′ kraja jednog lanca nalazi se 5′ kraj drugog lanca.

Iako postoje samo 4 vrste različitih nukleotida u molekulu DNK, zbog njihovih različitih sekvenci i ogromnog broja u polipeptidnom lancu, postiže se nevjerovatna raznolikost molekula DNK.

Kršenje slijeda nukleotida u lancu DNK dovodi do nasljednih promjena u ljudskom tijelu - mutacija. DNK se precizno reprodukuje tokom ćelijske deobe, što obezbeđuje prenos naslednih karakteristika i svojstava kroz niz generacija i ćelija.

Otkriće dvostruke spirale DNK bio je jedan od najznačajnijih događaja u istoriji biologije. Samo pet godina kasnije prva eksperimentalna potvrda modela DNK dobijena je u radovima M. Meselsona i F. Stahla. Nakon ovih otkrića, došlo je vrijeme za neviđeni napredak u razumijevanju najveće tajne prirode - implementacije nasljednih informacija. Počela je era molekularne biologije.

Specifičnost vrste DNK

Predstavnici različitih vrsta razlikuju se u omjeru (A + T) i (G + C). Kod životinja prevladava par A+T u mikroorganizmima, odnos (A+T) i (G+C) je isti. Ovo je specifičnost vrste DNK. Ovaj indikator se koristi kao jedan od genetskih kriterija za određivanje vrste.

Strukturni nivoi DNK

DNK se dijeli na primarnu, sekundarnu i tercijarnu strukturu.

Primarna struktura je niz nukleotida u polinukleotidnom lancu.

Sekundarna struktura je dvostruka spirala polinukleotidnih lanaca povezanih vodoničnim vezama.

Postoji nekoliko tipova DNK spirala. U normalnim fiziološkim uslovima, najčešća desnoruka spirala je B-oblik. Ovo je standardna Watson-Crick struktura. Prečnik heliksa je 2 nm, korak heliksa je 3,4 nm, svaki zavoj spirale sadrži 10 parova baza.

Uz B-oblik, pronađeni su dijelovi DNK koji imaju različitu konfiguraciju, kako desnoruki (A- i C-oblik) tako i lijevoruki (Z-oblik).

A-forma - puni okret spirale je 2,8 2,8 nm, jedan okret ima 11 pari dušičnih baza. DNK u ovom obliku djeluje kao šablon tokom replikacije.

C oblik ima 9 parova baza po okretu spirale. Ζ oblik je lijeva spirala koja ima 12 parova baza po okretu. Slovo Z označava cik-cak oblik šećerno-fosfatne kičme DNK. U ćeliji je DNK obično u B-obliku, ali pojedinačni dijelovi mogu biti u A-Z - ili čak u nekoj drugoj konfiguraciji zbog DNK supersmotanja. Konformacija molekula DNK zavisi od uslova i jedna je od poluga uticaja na funkcionisanje gena.

tercijarna struktura - Ovo trodimenzionalni DNK superheliks je karakterističan za eukariotske hromozome i uzrokovan je interakcijom DNK sa nuklearnim proteinima. Kod većine prokariota, nekih virusa, kao i u mitohondrijima i hloroplastima eukariota, DNK nije povezana s proteinima.

Glavna svojstva DNK su njena sposobnost repliciranja i popravljanja

DNK replikacija

Replikacija (autoreprodukcija, autosinteza, reduplikacija) je udvostručenje molekula DNK uz sudjelovanje posebnih enzima. Javlja se prije svake nuklearne podjele u S-periodu interfaze. Reduplikacija osigurava precizan prijenos genetskih informacija sadržanih u molekulima DNK s generacije na generaciju.

Džinovski molekuli DNK eukariota imaju mnogo mjesta za replikaciju - replikone, dok relativno mali kružni molekuli DNK prokariota predstavljaju svaki po jedan replikon. Polireplikativna priroda ogromnih molekula DNK eukariota omogućava replikaciju bez istovremenog odmotavanja cijelog molekula. Inače, općenito govoreći, procesi replikacije prokariota i eukariota su vrlo slični.

Proces replikacije DNK u replikonu odvija se u 3 faze, koje uključuju nekoliko različitih enzima.

Prva faza. Replikacija DNK počinje od lokalnog mjesta gdje se dvostruka spirala DNK (pod djelovanjem enzima DNK helikaze, DNK topoizomeraze, itd.) odmotava, vodikove veze se prekidaju i lanci se razilaze. Kao rezultat toga, struktura tzv viljuška za replikaciju(Sl. 7.5).

Sl.7.5. Šema replikacije DNK

U drugoj fazi Događa se tipična matrična sinteza. Slobodni nukleotidi se dodaju formiranim slobodnim vezama na lancima DNK majke po principu komplementarnosti (A-T, G-C). Ovaj proces se odvija duž cijele molekule DNK. Za svaki ćerki molekul DNK, jedan lanac dolazi od matičnog molekula, a drugi se novo sintetizira. Ovaj model replikacije se zove polukonzervativan. Ovu fazu provodi enzim DNK polimeraza (poznato je nekoliko varijanti).

Sinteza se odvija različito na dvije matične niti. Budući da je sinteza moguća samo u smjeru 5′ - 3′, brza sinteza se odvija na jednom lancu, a spora sinteza na drugom lancu, u kratkim fragmentima od 1000-2000 nukleotida. Nazvani su u čast R. Okazakija, koji ih je otkrio. fragmenti Okazakija. Okazaki fragmenti se formiraju na bazi RNA prajmera (RNA prajmera), koji se sintetiziraju pomoću posebnog enzima RNA primaze. Nakon obavljanja svoje funkcije, RNA prajmer se uklanja, a DNK ligaza se pridružuje Okazaki fragmentima i obnavlja primarnu strukturu DNK.

U trećoj fazi Heliks je uvrnut i sekundarna struktura DNK se obnavlja uz pomoć DNK giraze.

Većina enzima uključenih u replikaciju DNK djeluje u multienzimskom kompleksu povezanom s DNK. Ovo omogućava da se replikacija dogodi ogromnom brzinom (kod prokariota - oko 3000 parova nukleotida (bp) u sekundi, kod eukariota - 100-300 bp u sekundi).

Dva nova molekula DNK su tačne kopije originalnog molekula (slika 7.6)

Sl.7.6. A – replikacija DNK; B- sinteza DNK

Ako se tijekom replikacije u rastućem lancu DNK pojavi pogrešan nukleotid, tada se u ovoj situaciji aktivira mehanizam samokorekcije. Samokorekcija DNK uključuje ispravljanje grešaka koje se javljaju tokom sinteze nukleinske kiseline pomoću enzima DNK polimeraze (ili bliskog enzima, redukujuće endonukleaze).

Popravak DNK

Reparacija (od latinskog reparation - restauracija)– proces obnavljanja primarne strukture DNK oštećene kao rezultat izlaganja mutagenim faktorima.

Ćelije imaju različite sisteme "popravke" koji popravljaju oštećenja DNK uzrokovana zračenjem ili hemijskim faktorima. Obično se razmatraju tri glavne vrste reparacija:

· fotoreparacija (fotoreaktivacija);

· popravak ekscizije;

· post-replikacijski popravak.

Najbolje je proučavan popravak oštećenja uzrokovanih ultraljubičastim zracima. Kada su izloženi ultraljubičastom svjetlu, dimeri se pojavljuju između susjednih pirimidinskih baza istog DNK lanca. Najčešće se koristi T-T dimer, tj. umjesto vodoničnih veza između T i A dva nukleotidna lanca, T-T veze se formiraju unutar jednog lanca (slika 7.7).

Photorepair nastaje kada je izložen vidljivoj svjetlosti. Istovremeno, enzim DNK fotoligaza dijeli dimer na monomere i ponovo obnavlja T-A vodikove veze između komplementarnih lanaca

Ekscizija i post-replikacija reparacija ne zavisi od svetlosti i zato se zove tamna popravka .

Popravak ekscizijesastoji se od prepoznavanja oštećenja DNK, izrezivanja (ekscizije) oštećenog područja, te sinteze i umetanja novog fragmenta.

Javlja se u 4 faze:

1. Endonukleaza prepoznaje oštećeno područje i razbija lanac DNK pored njega.

2. Egzonukleaza „isječe“ oštećeno područje

3. DNK polimeraza, na osnovu netaknutog lanca, koji služi kao šablon, sintetiše novi fragment po principu komplementarnosti.

4. Ligaza povezuje slobodne krajeve starog dela lanca sa krajevima novosintetizovanog fragmenta.

Slika 7.7. Reparativni procesi. A. Popravak ekscizije (na primjeru Escherichia coli). B. Post-replikacijski popravak. U prikazanom primjeru, prekid u jednom molekulu DNK se zatvara SOS popravkom i dolazi do mutacije (M). Može doći do prekida u drugom molekulu DNK; je također ispunjen SOS popravkom ili zatvoren rekombinacijom s naknadnom sintezom popravke, u kojoj intaktni DNK lanac služi kao šablon. (Prema Böhmeu, Adler, sa izmjenama.)

Postreplikacijski popravak uključuje se u slučajevima kada oštećenje DNK koje je nastalo prije njegove replikacije nije eliminirano.

Ako se dimeri ne eliminišu, tada odgovarajuće baze neće moći da deluju kao šablon i na tim mestima u novosintetizovanoj DNK će se pojaviti praznine (prekidi). Razmjenom fragmenata (rekombinacijom) između dva dvostruka lanca DNK, proizvodi replikacije mogu formirati jedan normalan dvostruki lanac (post-replikacijski popravak).

Ako je oštećenje DNK toliko blizu jedno drugom da se praznine preklapaju, tada se aktivira drugi sistem "popravke" da popuni praznine - SOS reparacija , sposoban da sintetiše novi lanac DNK na defektnom šablonu. Kod ovog sistema replikacije često se javljaju greške i mutacije .

Ćelijski reparativni sistemi igraju važnu ulogu u održavanju genetske homeostaze, strukturne i funkcionalne stabilnosti živih sistema .

Ribonukleinske kiseline

Ribonukleinska kiselina je biopolimer koji se prvenstveno sastoji od jednog polinukleotidnog lanca. Struktura nukleotida u RNK je slična strukturi DNK, ali postoje sljedeće razlike :

1. Umjesto deoksiriboze, RNK nukleotidi sadrže ribozu;

2. Umjesto azotne baze timin - uracil.

Postoji nekoliko vrsta RNK u ćeliji, koje se razlikuju po veličini molekula, strukturi, lokaciji u ćeliji i funkcijama.

Messenger RNA – mRNA (mRNA) Sintetizira se na dijelu jednog od lanaca molekule DNK i prenosi informacije o strukturi proteina od jezgra ćelije do ribozoma. Sastoji se od 300-3000 (drugi autori navode 300-30000) nukleotida i čini 3-5% ukupne RNK ćelije.

Poput molekula DNK, ima sekundarne i tercijarne strukture koje nastaju vodoničnim vezama, hidrofobnim i elektrostatičkim interakcijama.

ribosomalna RNA (rRNA)čini 80-85% ukupne RNK ćelije. Sadrži 3000-5000 nukleotida. Dio ribozoma. Vjeruje se da rRNA obezbjeđuje određeni prostorni raspored mRNA i tRNA tokom sinteze proteina. Informacije o strukturi rRNA sadržane su u području sekundarne konstrikcije hromozoma.

Transfer RNA (tRNA) sastoji se od 70-80 nukleotida i čini 10-15% ukupne RNK ćelije. Funkcija tRNA je prijenos aminokiselina iz citoplazme do mjesta sinteze proteina u ribosomima. tRNA molekule imaju karakterističnu sekundarnu strukturu tzv djetelina (Sl. 7.8).

Trodimenzionalni model tRNA ima kompaktan oblik nalik L. Postoje četiri petlje u tRNA: akceptorska petlja (služi kao mjesto za vezivanje aminokiselina), petlja antikodona (prepoznaje kodone u mRNA) i dvije bočne petlje.

Sl.7.8. Struktura tRNA

Heterogena nuklearna RNK– hya-RNA. To je prekursor mRNA kod eukariota i pretvara se u mRNA kao rezultat obrade. Tipično, hn-RNA je mnogo duža od i-RNA.

Mala nuklearna RNK - snRNA. Učestvuje u procesu transformacije hRNA.

RNA prajmer – sićušna RNK (obično 10 nukleotida) uključena u proces replikacije DNK.

Biološka uloga RNK sastoji se od očuvanja, implementacije, prenošenja nasljednih informacija i osiguravanja biosinteze proteina.

Adenozin trifosforna kiselina (ATP)

ATP je mononukleotid koji se sastoji od azotne baze adenina, riboze monosaharida i tri ostatka fosforne kiseline (slika 7.9). Ostaci fosforne kiseline su međusobno povezani visokoenergetskim vezama. Kada je potrebna energija, ATP se razgrađuje u adenozin difosfornu kiselinu (ADP) i ostatak fosfora. Ovo oslobađa energiju.

ATP + H 2 O = ADP + H 3 PO 4 + 40 kJ

ADP se također može razgraditi i formirati AMP (adenozin monofosforna kiselina) i ostatak fosforne kiseline.

ADP + H 2 O = AMP + H 3 PO 4 + 40 kJ

Sl.7.9. Šema strukture ATP-a i njegova konverzija u ADP

Obrnute reakcije pretvaranja AMP u ADP i ADP u ATP nastaju pri apsorpciji energije u procesu energetskog metabolizma i fotosinteze.

ATP je univerzalni izvor energije za sve procese u životu živih organizama.

Nukleinske kiseline su linearni, nerazgranati heteropolimeri čiji su monomeri nukleotidi povezani fosfodiesterskim vezama.

Nukleotidi su organske supstance čije se molekule sastoje od pentoznog ostatka (riboze ili deoksiriboze) za koji su kovalentno vezani ostatak fosforne kiseline i azotna baza. Azotne baze u nukleotidima dijele se u dvije grupe: purinske (adenin i gvanin) i pirimidinske (citozin, timin i uracil). Dezoksiribonukleotidi uključuju deoksiribozu i jednu od azotnih baza: adenin (A), gvanin (G), timin (T), citozin (C). Ribonukleotidi uključuju ribozu i jednu od azotnih baza: adenin (A), gvanin (G), uracil (U), citozin (C).

U nekim slučajevima se u ćelijama nalaze različiti derivati ​​navedenih azotnih baza - minor baze koje su dio minornih nukleotida.

Nukleinske kiseline

Postoje dvije vrste nukleinskih kiselina: DNK (deoksiribonukleinska kiselina) i RNA (ribonukleinska kiselina). Nukleinske kiseline obezbeđuju skladištenje, reprodukciju i implementaciju genetskih (naslednih) informacija. Ove informacije se odražavaju (kodiraju) u obliku nukleotidnih sekvenci. Konkretno, sekvenca nukleotida odražava primarnu strukturu proteina (vidi dolje). Korespondencija između aminokiselina i nukleotidnih sekvenci koje ih kodiraju naziva se genetski kod. Jedinica genetskog koda DNK i RNK je triplet - sekvenca od tri nukleotida.

Nukleinske kiseline su hemijski aktivne supstance. Sa proteinima formiraju razna jedinjenja - nukleoproteine, ili nukleoproteine.

Deoksiribonukleinska kiselina (DNK) je nukleinska kiselina čiji su monomeri deoksiribonukleotidi. DNK je primarni nosilac nasljednih informacija. To znači da se sve informacije o strukturi, funkcionisanju i razvoju pojedinih ćelija i celog organizma beleže u obliku DNK nukleotidnih sekvenci.

Reakcije u kojima jedan heteropolimerni molekul služi kao šablon (forma) za sintezu drugog heteropolimernog molekula komplementarne strukture nazivaju se reakcije tipa šablona. Ako se tijekom reakcije formiraju molekuli iste tvari koje služe kao matrica, tada se reakcija naziva autokatalitička. Ako se tijekom reakcije na matrici jedne tvari formiraju molekule druge tvari, tada se takva reakcija naziva heterokatalitička. Dakle, replikacija DNK (tj. sinteza DNK na DNK šablonu) je reakcija autokatalitičke sinteze šablona.

Ribonukleinska kiselina (RNA) je nukleinska kiselina čiji su monomeri ribonukleotidi.

Unutar jedne RNA molekule postoji nekoliko regija koje su komplementarne jedna drugoj. Između takvih komplementarnih regiona nastaju vodonične veze. Kao rezultat toga, dvolančane i jednolančane strukture se izmjenjuju u jednoj RNA molekuli, a ukupna konformacija molekula podsjeća na list djeteline na peteljci.

Dušične baze koje čine RNK sposobne su da formiraju vodonične veze sa komplementarnim bazama u DNK i RNK. U ovom slučaju, azotne baze formiraju parove A=U, A=T i G≡C. Zahvaljujući tome, informacije se mogu prenositi sa DNK na RNK, sa RNK na DNK i sa RNK na proteine.

Postoje tri glavne vrste RNK koje se nalaze u stanicama koje obavljaju različite funkcije:

1. Informacija, ili glasnička RNK (mRNA, ili mRNA). Čini 5% ćelijske RNK. Služi za prijenos genetskih informacija od DNK do ribozoma tokom biosinteze proteina. U eukariotskim ćelijama, mRNA (mRNA) se stabilizuje specifičnim proteinima. Ovo omogućava nastavak biosinteze proteina čak i ako je jezgro neaktivno.

2. Ribosomalna, ili ribosomalna RNK (rRNA). Čini 85% ćelijske RNK. On je dio ribozoma, određuje oblik velikih i malih ribosomskih podjedinica i osigurava kontakt ribozoma s drugim vrstama RNK.

3. Transfer RNA (tRNA). Čini 10% ćelijske RNK. Prenosi aminokiseline do odgovarajućeg mjesta mRNA u ribosomima. Svaki tip tRNA prenosi određenu aminokiselinu.

Postoje i druge vrste RNK u stanicama koje obavljaju pomoćne funkcije.

Sve vrste RNK nastaju kao rezultat reakcija sinteze šablona. U većini slučajeva, jedan od lanaca DNK služi kao šablon. Dakle, sinteza RNK na DNK šablonu je heterokatalitička reakcija tipa šablona. Ovaj proces se zove transkripcija i kontrolišu ga određeni enzimi - RNA polimeraze (transkriptaze).

19. Sinergetika je nastala kao pokušaj pronalaženja alternativa postojećim konceptima razvoja, koji su iscrpili svoje mogućnosti u objašnjavanju nastanka i razvoja složenih sistema.

Početni koncept sinergetike je koncept haosa. Haos se tradicionalno posmatra kao destruktivni princip koji se mora urediti. Sinergetika vjeruje da u haosu leži izvor razvoja koji može dovesti do konstruktivnih rezultata.

Sinergetika, za razliku od drugih razvojnih koncepata, vraća koncept slučajnosti u krilo teorije i rehabilituje ga. Ako se u dijalektičkom konceptu i klasičnom evolucionizmu slučajnost smatrala sekundarnim i nevažnim faktorom, zaboravljenim i izbrisanim tokom vremena, onda sinergetika podiže slučajnost na nivo nužnosti.

Stanja kao što su nestabilnost i poremećena ravnoteža sinergetika takođe proglašava normalnim i prirodnim stanjem.

Klasični koncepti shvataju razvoj kao progresivan i neosporan pokret. Razvoj je podložan strogom zakonu uzročnosti. Koristeći uzročne lance, tok razvoja se može izračunati i u prošlost i u budućnost. Razvoj je retroaktivan i predvidljiv. Sadašnjost je određena prošlošću, a budućnost sadašnjošću.

Ali jedan od vodećih teoretičara u oblasti sinergetike, I. Prigogine, potkrepljuje stav da ideja nestabilnosti značajno istiskuje ideju determinizma. To je omogućilo da se ljudska aktivnost uključi u vidno polje prirodnih nauka. I koncepti kao što su nestabilnost i nepredvidivost počeli su da igraju važnu ulogu u prevazilaženju nejedinstva koje je oduvek postojalo između društvenih i prirodnih nauka.

Ideja nestabilnosti znači da su putanje mnogih sistema nestabilne i da ne možemo predvidjeti njihov razvoj u dužem periodu. I. Prigogine ove intervale naziva „vremenskim eksponencijalnim“ i kaže da nakon što pređemo na novi interval, informacije o prethodnom mogu nestati. Naše znanje je samo mali prozor u svemir i zbog nestabilnosti svijeta trebali bismo se odreći čak i sna o sveobuhvatnom znanju. Gledajući kroz ovaj prozor, možemo, naravno, ekstrapolirati postojeće znanje izvan granica naše vizije i spekulirati o tome šta bi mogao biti mehanizam koji kontrolira dinamiku svemira, ali ništa više.

U tradicionalnoj slici sveta uslovljenosti nema rizika, jer je tok događaja jednovarijantan i predvidljiv. Sinergetika postulira multivarijantnu viziju svijeta, koja čovječanstvu otkriva mogućnost izbora sa mjerom odgovornosti za taj izbor. Osnovne ideje sinergetike:

„iz haosa može nastati nova strukturno organizovana sigurnost sa novim vektorom svog razvoja; ¦kompleksno organizovani i samoorganizovani sistemi ne mogu se razvijati po strogo definisanim zakonima, jer u njima veliku ulogu igraju momenti spontanosti i slučajnosti; izjašnjavajući se na tački „bifurkacije“. Za složene sisteme postoji nekoliko alternativnih razvojnih puteva. Evolucijski put nije jedini;

Sinergetika je i metoda i nauka o upravljanju složenim sistemima. Glavna poluga ove kontrole nije sila, već ispravan pravac, „arhitektura“ uticaja na složeno okruženje.

Različiti aspekti razvojnog problema koji se razmatraju daju osnovu za tvrdnju da je razvoj posebna vrsta promjene, zahvaljujući kojoj smo dobili svijet u kojem živimo. Raznolikost prirodnih i društvenih pojava nije u početku data, već se pojavila kao rezultat razvoja određenog početnog broja vrsta i oblika. Stoga je nemoguće razumjeti svijet izvan konteksta razvoja, ali sam proces razvoja postaje sve složeniji i složeniji, te ga je gotovo nemoguće objasniti na osnovu bilo kojeg teorijskog modela.

Moderni biolozi i antropolozi, kao što smo već napomenuli, smatraju da je biološka evolucija čovjeka kao vrste, odnosno njegove specijacije, prestala od pojave Homo sapiensa. S tim u vezi postavlja se pitanje o budućim pravcima razvoja čovjeka kao biološke vrste. Prilikom odgovora na ovo pitanje ponekad se izražava mišljenje da će sve vrste životinja i biljaka postupno izumrijeti zbog degradacije genoma (program genetskog razvoja). Prema mišljenju većine naučnika, glavna opasnost u ovom slučaju nije starenje vrste, već sve veće zagađenje biosfere raznim vrstama otpada.

Zbog svojih plemenskih kvaliteta, osoba se mora boriti sa prirodom. Ali u ovoj borbi ne može biti pobjednika, jer je čovjek dio biosfere i uništavajući prirodu čovjek uništava samog sebe a da to ne primjećuje, kao što ne primjećuje radioaktivno zračenje.

Svi ovi problemi važni su prije svega zbog toga što je zdrav čovjek slobodan u svom djelovanju, u zadovoljavanju materijalnih i duhovnih potreba (u okviru mogućnosti koje mu društvo pruža). Bolest ograničava ljudsku slobodu, dodajući društvenim ograničenjima na radnje osobe okvir njenog vlastitog tijela. Dakle, čovjekov odnos prema svom tijelu ne može biti samo odnos prema nekoj prirodnoj, prirodnoj objektivnosti – čovjek se susreće s nužnošću, njenim jezikom i moći. A ta moć, utisnuta u tjelesnu organizaciju osobe, posebno je okrutna i imperativna. Gotovo svaka osoba imala je priliku da se u to uvjeri – sjetite se samo osjećaja apsolutne bespomoćnosti koji pokriva čovjeka u trenucima prilično ozbiljne bolesti.

Možemo reći da tjelesnost djeluje kao tok života, kao životna aktivnost čovjeka u cjelini. A tijelo je statičan aspekt tjelesnosti, kojeg se čovjek nikada ne može riješiti dok je živ. Uostalom, začećem je osoba bačena u tok života protiv svoje volje. Na red dolazi i trenutak smrti, bez obzira na želje osobe. Svaka faza starosnih promjena tjera osobu u novu životnu situaciju.

Dakle, postaje očigledno da su problemi telesnosti, funkcionisanja ljudskog tela važan deo slike sveta, kao i predmet medicine - nauke koja proučava uzroke ljudskih bolesti, obrasce njihovog razvoja. , metode njihovog prepoznavanja i liječenja, kao i oblike optimalne organizacije zdravstvene zaštite stanovništva.

Prirodno, medicina nije oduvijek bila nauka, ali je oduvijek postojala kao dio ljudske kulture, baveći se ljudskim zdravstvenim problemima. Kao dio kulture određenog naroda i određenog doba, medicina je u različito vrijeme objašnjavala uzroke bolesti na različite načine i preporučivala različite metode njihovog liječenja.

Aparat psiho-emocionalne adaptacije također prolazi kroz restrukturiranje. Ovdje motorizacija moderne proizvodnje i svakodnevnog života, zasićenost života tehnologijom, bukom, ubrzanje životnih ritmova, nagli porast broja međuljudskih kontakata, često s negativnim, patogenim psiho-emocionalnim nabojem, dobiva posebno važnost.

Svi navedeni faktori u konačnici direktno određuju razvoj bolesti, promjene u njihovoj težini, simptomima i prirodi komplikacija, dovode do nestanka starih bolesti i pojave novih, te dramatično mijenjaju prirodu morbiditeta. Bolesti u čijem nastanku imaju veliku ulogu psiho-emocionalni faktori danas su široko rasprostranjene. Sve veća socijalizacija života savremenog čovjeka utiče na njegovu somatsku (tjelesnu) patologiju. Faktori kao što su profesija, odnos osobe prema poslu i atmosfera u produkcijskom timu imaju značajan uticaj na stanje njegovog somatskog i mentalnog zdravlja.

U različitim fazama socijalne i ekonomske zrelosti društva, zahtjevi za nivoom neuropsihičkih, mišićnih i fizičkih troškova nisu isti. U uslovima naučne i tehnološke revolucije, zahtevi za ljudskim neuropsihičkim mehanizmima sve su veći.

Prelaskom iz jedne faze društvenog razvoja u drugu, psihoemocionalni odnosi ljudi postaju sve komplikovaniji. Svi kanali emocionalne veze sada su ispunjeni do krajnjih granica, a ponekad i preopterećeni. Ljudski nervni sistem je podvrgnut stalnom, sve većem emocionalnom i mentalnom „bombardovanju“, u rasponu od zdravih, tonizirajućih, pa sve do negativnih, pa i patogenih emocija. Tempo života se povećava, zastarelost tehnologije se skraćuje, neke profesije zastarevaju, ubrzava se razvoj nauke, tehnologije, kulture itd. Sve to postavlja nove, povećane zahtjeve za unutrašnje resurse osobe, čija je važna komponenta mentalno zdravlje i emocionalna ravnoteža.

Ako modernu fazu društvenog razvoja karakterizira ubrzanje tempa života u svim sferama, onda se brzina psihofizioloških i somatskih reakcija tijela često pokazuje presporo, zaostaje za ritmovima društvenog i industrijskog života. , a socio-biološka aritmija nastaje kao opći preduvjet za nastanak mnogih bolesti.

Stoga je prirodno da se zdravlje stanovništva zemlje pogoršava svake godine. Posljednjih godina, na primjer, 70 posto modernih žena ima zdravstvenih problema. Udio novorođenčadi sa fizičkim i neurološkim poremećajima je povećan na 20 posto. Najvažniji pokazatelj javnog zdravlja i društvenog blagostanja društva je stopa smrtnosti novorođenčadi. U Rusiji je ova brojka porasla za 15 posto u posljednjih 5 godina.

Ništa manje depresivni nisu ni pokazatelji uticaja nekih komponenti životne sredine na zdravlje ljudi. Dakle, pouzdano je poznato da zagađenje zraka uzrokuje bolesti respiratornog sistema, cirkulacije, probave itd. Osim toga, to je najvažniji razlog za nakupljanje mutacija u tijelu koje utiču na ljudski genotip.

Otprilike 85 posto bolesti uzrokuje i prenosi voda. Bolesti su uzrokovane prvenstveno lošom kvalitetom vode koja sadrži različite toksične spojeve teških metala, štetne organske nečistoće i bakterije. Što je veća zasićenost vode solima, to je veći rizik od razvoja ateroskleroze, moždanog udara, srčanog udara itd. Hlor jako šteti našem zdravlju. Iako kloriranje vode spašava od infekcija, njeni derivati ​​polako i sigurno narušavaju zdravlje, jer imaju kancerogeno mutageno djelovanje. Mogu uticati na naslijeđe, mnogi od njih su jaki otrovi za jetru, itd.

U kontekstu ubrzanja ekoloških transformacija i njihovog sve većeg uticaja na javno zdravlje, od posebnog je značaja proučavanje socio-genetskih problema biosfere i zdravlja ljudi.

Nukleinske kiseline– biopolimeri živih organizama koji sadrže fosfor, koji osiguravaju skladištenje i prijenos nasljednih informacija. Otkrio ih je 1869. švicarski hemičar F. Miescher u jezgrima leukocita. Potom su nukleinske kiseline pronađene u svim biljnim i životinjskim stanicama, bakterijama, virusima i gljivama.

U prirodi postoje dvije vrste nukleinskih kiselina - deoksiribonukleinska kiselina (DNK) i ribonukleinska kiselina (RNA) Razlika u nazivima se objašnjava činjenicom da molekula DNK sadrži petougljični šećer deoksiribozu, a molekula RNK ribozu. . Trenutno je poznat veliki broj varijanti DNK i RNK, koje se međusobno razlikuju. Po strukturi i značaju u metabolizmu.

DNK je lokalizovan prvenstveno u hromozomima ćelijskog jezgra (99% celokupne ćelijske DNK), kao iu mitohondrijima i hloroplastima. RNK je, pored jezgre, dio ribozoma, citoplazme, plastida i mitohondrija.

Nukleinske kiseline su složeni biopolimeri čiji su monomeri nukleotidi. Svaki nukleotid sadrži petougljični šećer (ribozu ili deoksiribozu), azotnu bazu i ostatak fosforne kiseline.

Postoji pet glavnih azotnih baza: adenin, gvanin, uracil, timin i citozin. Prva dva su purinski - njihovi molekuli se sastoje od dva međusobno povezana prstena. Sljedeća tri su pirimidini i imaju jedan šestočlani prsten.

Imena nukleotida potiču od imena odgovarajućih azotnih baza; oba su označena velikim slovima: adenin - adenilat (A), gvanin - gvanilat (G), citozin - citidilat (C), uracil - uridilat (U), timin - deoksitimilat (T).

Broj nukleotida u molekulu nukleinske kiseline varira - od 80 u transfernim RNA molekulima do nekoliko desetina miliona u DNK.

Molekul DNK je dvolančana spirala uvijena oko vlastite ose.

U polinukleotidnom lancu, susjedni nukleotidi su međusobno povezani kovalentnim vezama koje se formiraju između fosfatne grupe jednog nukleotida i 3'-alkoholne grupe pentoze drugog. Takve veze se nazivaju fosfodiestarske veze. Fosfatna grupa čini most između 3' ugljika jednog pentoznog prstena i 5' ugljika sljedećeg.

Okosnicu DNK lanaca tako čine ostaci fosfata šećera.

Polinukleotidni lanac DNK je uvijen u obliku spirale, nalik na spiralno stepenište, i povezan je sa drugim lancem koji mu je komplementaran pomoću vodikovih veza formiranih između adenina i timina (dve veze), kao i gvanina i citozina ( tri obveznice). Nukleotidi A i T, G i C nazivaju se komplementarni. Kao rezultat toga, u bilo kojem organizmu broj adenil nukleotida je jednak broju timidil nukleotida, a broj guanil nukleotida je jednak broju citidil nukleotida. Ovaj obrazac se naziva “Chargaffovo pravilo”. Zahvaljujući ovom svojstvu, slijed nukleotida u jednom lancu određuje njihov slijed u drugom. Ova sposobnost selektivnog kombinovanja nukleotida naziva se komplementarnost, a ovo svojstvo leži u osnovi formiranja novih molekula DNK na osnovu originalnog molekula.

Lanci u molekuli DNK su suprotno usmjereni, tj. ako jedan lanac ima smjer od kraja 3’ do kraja 5’, onda u drugom lancu kraj 3’ odgovara kraju 5’ i obrnuto. Ovo svojstvo zavojnice DNK naziva se antiparalelizam.

Dvolančani model molekule DNK prvi su predložili američki naučnik J. Watson i Englez F. Crick 1953. godine. Kombinovao je podatke E. Chargaffa o odnosu purinskih i pirimidinskih baza molekula DNK i rezultate rendgenske difrakcijske analize dobivene od M. Wilkinsa i R. Franklina. Za razvoj dvolančanog modela molekule DNK, Watson, Crick i Wilkins dobili su Nobelovu nagradu 1962. godine.

DNK je najveći biološki molekul. Njihova dužina se kreće od 0,25 mm - kod nekih bakterija - do 40 mm - kod ljudi. Ovo je znatno veće od najvećeg proteinskog molekula, koji kada se rasklopi ne doseže više od 100-200 nm. Masa molekula DNK je 6 ∙ 10 -12 g.

Prečnik molekule DNK je 2 nm, nagib spirale je 3,4 nm; Svaki zavoj spirale sadrži 10 pari nukleotida. Zavojnu strukturu održavaju brojne vodonične veze koje se javljaju između komplementarnih azotnih baza i hidrofobnih interakcija. Molekuli DNK eukariotskih organizama su linearni. Kod prokariota, DNK je, naprotiv, zatvorena u prsten i nema ni 3’ ni 5’ krajeve.

Kao i proteini, kada se uslovi promene, DNK može da prođe denaturacija, što se zove topljenje. Postepenim vraćanjem u normalne uslove, DNK se obnavlja.

Funkcije DNK. Funkcija DNK je skladištenje, prijenos i reprodukcija genetskih informacija kroz generacije. DNK bilo koje ćelije kodira informacije o svim proteinima datog organizma, o tome koji će se proteini sintetizirati i kojim redoslijedom.

Struktura RNA molekula je na mnogo načina slična strukturi molekula DNK. Međutim, postoji niz značajnih razlika. U molekuli RNK, umjesto deoksiriboze, nukleotidi sadrže ribozu. Umjesto timidil nukleotida (T), uključen je uridil nukleotid (U). Glavna razlika od DNK je u tome što je molekula RNK jednolančana. Međutim, njegovi nukleotidi su sposobni da međusobno formiraju vodikove veze (na primjer, u tRNA, rRNA molekulama), ali u ovom slučaju govorimo o unutarlančanoj vezi komplementarnih nukleotida.

RNK lanci su mnogo kraći od DNK.

Vrste RNK

Postoji nekoliko vrsta RNK u ćeliji, koje se razlikuju po veličini molekula, strukturi, lokaciji u ćeliji i funkcijama.

Messenger RNA – mRNA– najheterogeniji po veličini i strukturi. mRNA je otvoreni polinukleotidni lanac. Sintetizira se u jezgru uz sudjelovanje enzima RNA polimeraze prema principu komplementarnosti s DNK regijom odgovornom za kodiranje ovog proteina. mRNA obavlja bitnu funkciju u ćeliji. Služi kao šablon za sintezu proteina, prenoseći informacije o njihovoj strukturi iz DNK molekula. Svaki ćelijski protein je kodiran svojom specifičnom mRNA.

Ribosomalna RNA–rRNA. To su jednolančane nukleinske kiseline koje u kombinaciji s proteinima formiraju ribozome - organele na kojima se odvija sinteza proteina. Informacije o strukturi rRNA su kodirane u dijelovima DNK koji se nalaze u području sekundarne konstrikcije hromozoma. rRNA čini 80% ukupne RNK u ćeliji jer ćelije sadrže veliki broj ribozoma. rRNA imaju složenu sekundarnu i tercijarnu strukturu, formirajući petlje u komplementarnim regijama, što dovodi do samoorganizacije ovih molekula u tijelo složenog oblika. Ribosomi sadrže 3 tipa rRNA kod prokariota i 4 tipa rRNA kod eukariota.

Transport (transfer) RNA - tRNA. Molekul tRNA se u prosjeku sastoji od 80 nukleotida. Sadržaj tRNA u ćeliji je oko 15% ukupne RNK. Funkcija tRNA je transport aminokiselina do mjesta sinteze proteina i sudjelovanje u procesu translacije. Broj različitih tipova tRNA u ćeliji je mali (oko 40). Svi imaju sličnu prostornu organizaciju. Zahvaljujući vodoničnim vezama unutar lanca, molekula tRNA dobija karakterističnu sekundarnu strukturu tzv. djetelina.

Trodimenzionalni model tRNA izgleda nešto drugačije. Postoje četiri petlje u tRNA: akceptorska petlja (služi kao mjesto za vezivanje aminokiselina), petlja antikodona (prepoznaje kodon u mRNA tokom translacije) i dvije bočne petlje.

U živom organizmu postoje tri glavna makromolekula: proteini i dvije vrste nukleinskih kiselina. Zahvaljujući njima održava se vitalna aktivnost i pravilno funkcioniranje cijelog tijela. Šta su nukleinske kiseline? Zašto su oni potrebni? Više o tome kasnije u članku.

opće informacije

Nukleinska kiselina je biopolimer, organsko jedinjenje visoke molekularnosti, koje se formira od nukleotidnih ostataka. Prijenos svih genetskih informacija s generacije na generaciju glavni je zadatak koji obavljaju nukleinske kiseline. Prezentacija u nastavku će objasniti ovaj koncept detaljnije.

Istorija studije

Prvi proučavani nukleotid izolovan je iz goveđeg mišića 1847. i nazvan "inozinska kiselina". Kao rezultat proučavanja hemijske strukture, otkriveno je da je to ribozid-5′-fosfat i da sadrži N-glikozidnu vezu. Otkrio ga je švicarski hemičar Friedrich Miescher tokom istraživanja određenih bioloških supstanci. Ova supstanca je uključivala fosfor. Spoj je imao kisela svojstva i nije bio podložan razgradnji pod utjecajem proteolitičkih enzima.

Supstanca je dobila formulu C29H49N9O22P3 Pretpostavka o učešću nukleina u procesu prenošenja nasljednih informacija iznesena je kao rezultat otkrića sličnosti njegovog kemijskog sastava s hromatinom. Ovaj element je glavna komponenta hromozoma Termin "nukleinska kiselina" prvi je uveo Richard Altmann 1889. Upravo je on postao autor metode za proizvodnju ovih supstanci bez proteinskih nečistoća. Tokom proučavanja alkalne hidrolize nukleinskih kiselina, Levin i Jacob su identificirali glavne komponente proizvoda ovog procesa. Ispostavilo se da su to nukleotidi i nukleozidi. Godine 1921. Lewin je predložio da DNK ima tetranukleotidnu strukturu. Međutim, ova hipoteza nije potvrđena i ispostavilo se da je pogrešna.

Klasifikacija

Nukleinske kiseline dolaze u dvije vrste: DNK i RNK. Njihovo prisustvo se nalazi u ćelijama svih živih organizama. DNK se uglavnom nalazi u ćelijskom jezgru. RNK se nalazi u citoplazmi. 1935. godine, tokom meke fragmentacije DNK, dobijena su 4 nukleotida koja formiraju DNK. Ove komponente su predstavljene u kristalnom stanju. Godine 1953. Watstone i Crick su utvrdili da DNK ima dvostruku spiralu.

Metode odabira

Razvijene su različite metode za dobivanje spojeva iz prirodnih izvora. Glavni uslovi ovih metoda su efikasno odvajanje nukleinskih kiselina i proteina, najmanja fragmentacija supstanci dobijenih tokom procesa. Danas se klasična metoda široko koristi. Suština ove metode je uništavanje zidova biološkog materijala i njihova daljnja obrada anjonskim deterdžentom. Rezultat je proteinski precipitat, dok nukleinske kiseline ostaju u otopini. Koristi se i druga metoda. U ovom slučaju, nukleinske kiseline se mogu precipitirati u stanje gela upotrebom etanola i fiziološkog rastvora. Pri tome treba biti oprezan. Posebno, etanol se mora dodavati sa velikom pažnjom u fiziološki rastvor da bi se dobio talog gela. U kojoj se koncentraciji nukleinska kiselina oslobađa, koje su nečistoće prisutne u njoj, može se odrediti spektrofotometrijskom metodom. Nukleinske kiseline se lako razgrađuju nukleazama, koje su posebna klasa enzima. Uz takvu izolaciju, neophodno je da laboratorijska oprema bude podvrgnuta obaveznom tretmanu inhibitorima. To uključuje, na primjer, DEPC inhibitor, koji se koristi u izolaciji RNK.

Fizička svojstva

Nukleinske kiseline imaju dobru rastvorljivost u vodi, ali su skoro nerastvorljive u organskim jedinjenjima. Osim toga, posebno su osjetljivi na temperaturu i pH nivoe. Molekuli nukleinske kiseline velike molekularne težine mogu se fragmentirati nukleazom pod utjecajem mehaničkih sila. To uključuje miješanje otopine i protresanje.

Nukleinske kiseline. Struktura i funkcije

Polimerni i monomerni oblici dotičnih jedinjenja nalaze se u ćelijama. Polimerni oblici se nazivaju polinukleotidi. U ovom obliku, nukleotidni lanci su povezani ostatkom fosforne kiseline. Zbog sadržaja dvije vrste heterocikličkih molekula zvanih riboza i deoksiriboza, kiseline su ribonukleinske kiseline, odnosno deoksiribonukleinske kiseline. Uz njihovu pomoć dolazi do pohranjivanja, prijenosa i implementacije nasljednih informacija. Od monomernih oblika nukleinskih kiselina najpopularnija je adenozin trifosforna kiselina. Uključen je u signalizaciju i osiguravanje energetskih rezervi u ćeliji.

DNK

Deoksiribonukleinska kiselina je makromolekula. Uz njegovu pomoć dolazi do procesa prijenosa i implementacije genetskih informacija. Ove informacije su neophodne za razvoj i funkcionisanje živog organizma. Kod životinja, biljaka i gljiva DNK je dio hromozoma koji se nalazi u ćelijskom jezgru, a nalazi se iu mitohondrijima i plastidima. U bakterijama i arhejama, molekul deoksiribonukleinske kiseline se drži za ćelijsku membranu iznutra. U takvim organizmima prisutni su uglavnom kružni molekuli DNK. Zovu se "plazmidi". Prema svojoj hemijskoj strukturi, deoksiribonukleinska kiselina je polimerni molekul koji se sastoji od nukleotida. Ove komponente, zauzvrat, sadrže dušičnu bazu, šećer i fosfatnu grupu. Zbog posljednja dva elementa se formira veza između nukleotida, stvarajući lance. U osnovi, makromolekula DNK je predstavljena u obliku spirale od dva lanca.

RNA

Ribonukleinska kiselina je dugačak lanac sastavljen od nukleotida. Sadrže azotnu bazu, ribozni šećer i fosfatnu grupu. Genetske informacije su kodirane pomoću niza nukleotida. RNK se koristi za programiranje sinteze proteina. Ribonukleinska kiselina se stvara tokom transkripcije. Ovo je proces sinteze RNK na DNK šablonu. To se događa uz sudjelovanje posebnih enzima. Zovu se RNK polimeraze. Nakon toga, šablonske ribonukleinske kiseline učestvuju u procesu translacije. Ovako dolazi do sinteze proteina na RNA matriksu. Ribosomi aktivno učestvuju u ovom procesu. Preostale RNK prolaze kroz hemijske transformacije do potpune transkripcije. Kao rezultat nastalih promjena formiraju se sekundarne i tercijarne strukture ribonukleinske kiseline. Funkcioniraju ovisno o vrsti RNK.