Nukleīnskābes un to sastāvs. Nukleīnskābju ķīmiskās īpašības
NUKLEĪNSKĀBES
biopolimēri, kas sastāv no fosforskābes atlikumiem, cukuriem un slāpekļa bāzēm (purīniem un pirimidīniem). Tiem ir fundamentāla bioloģiskā nozīme, jo tie kodētā veidā satur visu ģenētisko informāciju par jebkuru dzīvu organismu, sākot no cilvēkiem, beidzot ar baktērijām un vīrusiem, ko pārraida no vienas paaudzes uz otru. Pirmo reizi nukleīnskābes no cilvēka strutas šūnām un laša spermas izdalīja Šveices ārsts un bioķīmiķis F. Miesšers laikā no 1869. līdz 1871. gadam. Pēc tam tika noskaidrots, ka pastāv divu veidu nukleīnskābes: ribonukleīnskābe (RNS) un dezoksiribonukleīnskābe (DNS). , taču to funkcijas ilgu laiku palika nezināmas. 1928. gadā angļu bakteriologs F. Grifits atklāja, ka nogalināti patogēni pneimokoki var mainīt dzīvo nepatogēno pneimokoku ģenētiskās īpašības, pārvēršot pēdējos par patogēniem. 1945. gadā mikrobiologs O. Eiverijs no Rokfellera institūta Ņujorkā veica svarīgu atklājumu: viņš parādīja, ka ģenētiskās transformācijas spēja ir saistīta ar DNS pārnešanu no vienas šūnas uz otru, un tāpēc ģenētiskais materiāls ir DNS. 1940.–1950. gadā J. Beadle un E. Tatum no Stenfordas universitātes (Kalifornija) atklāja, ka proteīnu, jo īpaši enzīmu, sintēzi kontrolē specifiski gēni. 1942. gadā T. Kaspersona Zviedrijā un J. Brachet Beļģijā atklāja, ka nukleīnskābes īpaši daudz ir šūnās, kas aktīvi sintezē olbaltumvielas. Visi šie dati liecināja, ka ģenētiskais materiāls ir nukleīnskābe un ka tas kaut kādā veidā ir iesaistīts proteīnu sintēzē. Tomēr tajā laikā daudzi uzskatīja, ka nukleīnskābes molekulām, neskatoties uz to lielo garumu, ir pārāk vienkārša struktūra, kas periodiski atkārtojas, lai pārvadātu pietiekami daudz informācijas, lai tās kalpotu kā ģenētiskais materiāls. Bet 40. gadu beigās E. Čargafs ASV un Dž. Vaiats Kanādā, izmantojot sadalīšanas hromatogrāfijas metodi uz papīra, parādīja, ka DNS uzbūve nav tik vienkārša un šī molekula var kalpot par ģenētiskās informācijas nesēju.
DNS struktūru 1953. gadā Anglijā izveidoja M. Vilkinss, Dž. Vatsons un F. Kriks. Šis fundamentālais atklājums ļāva saprast, kā notiek nukleīnskābju dubultošanās (replikācija). Drīz pēc tam amerikāņu pētnieki A. Downs un J. Gamow ierosināja, ka proteīnu struktūra kaut kādā veidā ir kodēta nukleīnskābēs, un līdz 1965. gadam šo hipotēzi apstiprināja daudzi pētnieki: F. Kriks Anglijā, M. Nirenbergs un S. Očoa. ASV, H. Korāns Indijā. Visi šie atklājumi, gadsimtu ilgās nukleīnskābju izpētes rezultāts, radīja īstu revolūciju bioloģijā. Tie ļāva izskaidrot dzīvības fenomenu atomu un molekulu mijiedarbības ietvaros.
Veidi un izplatība. Kā jau teicām, ir divu veidu nukleīnskābes: DNS un RNS. DNS atrodas visu augu un dzīvnieku šūnu kodolos, kur tā ir kompleksā ar olbaltumvielām un ir neatņemama hromosomu sastāvdaļa. Katras konkrētās sugas indivīdiem kodola DNS saturs parasti ir vienāds visās šūnās, izņemot gametas (olas un spermu), kur DNS ir uz pusi mazāks. Tādējādi šūnu DNS daudzums ir specifisks sugai. DNS atrodas arī ārpus kodola: mitohondrijās (šūnu “enerģijas stacijās”) un hloroplastos (daļiņās, kur augu šūnās notiek fotosintēze). Šīm subcelulārajām daļiņām ir zināma ģenētiska autonomija. Baktērijas un zilaļģes (zilaļģes) hromosomu vietā satur vienu vai divas lielas DNS molekulas, kas saistītas ar nelielu daudzumu olbaltumvielu, un bieži vien mazākas DNS molekulas, ko sauc par plazmīdām. Plazmīdas satur noderīgu ģenētisko informāciju, piemēram, tās satur gēnus rezistencei pret antibiotikām, taču tie nav būtiski pašas šūnas dzīvībai. Zināms daudzums RNS atrodas šūnas kodolā, bet lielākā daļa no tās atrodas citoplazmā – šūnas šķidrajā saturā. Lielākā daļa no tā ir ribosomu RNS (rRNS). Ribosomas ir mazākie ķermeņi, uz kuriem notiek olbaltumvielu sintēze. Nelielu RNS daudzumu attēlo pārneses RNS (tRNS), kas arī ir iesaistīta olbaltumvielu sintēzē. Taču abas šīs RNS klases nenes informāciju par proteīnu struktūru – šāda informācija ir ietverta matricā jeb informācijā, RNS (mRNS), kas veido tikai nelielu daļu no kopējās šūnu RNS. Vīrusu ģenētiskais materiāls ir vai nu DNS, vai RNS, bet nekad nav abas vienlaikus.
VISPĀRĒJĀS ĪPAŠĪBAS
Nukleīnskābju molekulas satur daudzas negatīvi lādētas fosfātu grupas un veido kompleksus ar metālu joniem; to kālija un nātrija sāļi labi šķīst ūdenī. Koncentrēti nukleīnskābju šķīdumi ir ļoti viskozi un nedaudz opalescējoši, un cietā veidā šīs vielas ir baltas. Nukleīnskābes spēcīgi absorbē ultravioleto gaismu, un šī īpašība ir pamatā to koncentrācijas noteikšanai. Ar šo īpašību ir saistīta arī ultravioletās gaismas mutagēnā iedarbība. Garās DNS molekulas ir trauslas un viegli saplīst, piemēram, izspiežot šķīdumu caur šļirci. Tāpēc darbam ar lielas molekulmasas DNS nepieciešama īpaša piesardzība.
Ķīmiskā struktūra. Nukleīnskābes ir garas ķēdes, kas sastāv no četrām atkārtotām vienībām (nukleotīdiem). To struktūru var attēlot šādi:
Simbols F apzīmē fosfātu grupu. Mainīgie cukura un fosforskābes atlikumi veido molekulas cukura-fosfāta mugurkaulu, kas ir vienāds visai DNS, un to milzīgā daudzveidība ir saistīta ar to, ka četras slāpekļa bāzes var atrasties gar ķēdi ļoti dažādās secībās. Nukleīnskābēs esošais cukurs ir pentoze; četri no pieciem oglekļa atomiem kopā ar vienu skābekļa atomu veido gredzenu. Pentozes oglekļa atomi ir apzīmēti ar skaitļiem no 1" līdz 5". RNS cukuru attēlo riboze, bet DNS tā ir dezoksiriboze, kas satur par vienu skābekļa atomu mazāk. DNS un RNS polinukleotīdu ķēžu fragmenti ir parādīti attēlā.
Tā kā fosfātu grupas ir pievienotas cukuram asimetriski, pozīcijās 3" un 5", nukleīnskābes molekulai ir noteikts virziens. Estera saites starp monomēru nukleīnskābju vienībām ir jutīgas pret hidrolītisku šķelšanos (enzīmu vai ķīmisku), kas atbrīvo atsevišķas sastāvdaļas kā mazas molekulas. Slāpekļa bāzes ir plakani heterocikliski savienojumi. Tie ir piestiprināti pie pentozes gredzena pozīcijā 1ў. Lielākām bāzēm ir divi gredzeni, un tās sauc par purīniem: adenīns (A) un guanīns (G). Mazākajām bāzēm ir viens gredzens, un tās sauc par pirimidīniem: tās ir citozīns (C), timīns (T) un uracils (U). DNS satur bāzes A, G, T un C, RNS satur U, nevis T. Pēdējais atšķiras no timīna ar to, ka tajā nav metilgrupas (CH3). Uracils ir atrodams dažu vīrusu DNS, kur tas veic tādas pašas funkcijas kā timīns.
Trīsdimensiju struktūra. Svarīga nukleīnskābju iezīme ir to veidojošo atomu telpiskā izvietojuma regularitāte, kas noteikta ar rentgenstaru difrakciju. DNS molekula sastāv no divām pretējām virknēm (dažreiz satur miljoniem nukleotīdu), ko satur ūdeņraža saites starp bāzēm:
Ūdeņraža saites, kas savieno pretējo ķēžu bāzes, tiek klasificētas kā vājas, taču, pateicoties to pārpilnībai DNS molekulā, tās stingri stabilizē tās struktūru. Tomēr, ja DNS šķīdums tiek uzkarsēts līdz aptuveni 60 ° C, šīs saites tiek pārtrauktas un ķēdes atšķiras - notiek DNS denaturācija (kušana). Abas DNS virknes ir savītas spirālē ap iedomātu asi, it kā tās būtu uztītas uz cilindra. Šo struktūru sauc par dubultspirāli. Katram spirāles pagriezienam ir desmit bāzes pāri.
DNS DUBULTĀ HELIX. DNS struktūra atgādina spirālveida kāpnes. Tās malas sastāv no mainīgām cukura atliekām un fosfātu grupām; Katrs cukura atlikums vienā sānu sienā ir savienots ar savu partneri otrā pusē ar “šķērsstieni”, kas sastāv no purīna (adenīna vai guanīna) un pirimidīna (citozīna vai timīna), un adenīns savienojas tikai ar timīnu un guanīns ar citozīnu.
Papildināmības noteikums. Vatsons un Kriks parādīja, ka ūdeņraža saišu un regulāras dubultspirāles veidošanās ir iespējama tikai tad, ja lielākajai purīna bāzes adenīnam (A) vienā ķēdē ir partneris otrā ķēdē mazākā pirimidīna bāzes timīns (T), un guanīns (G), kas saistīts ar citozīnu (C). Šo modeli var attēlot šādi:
A"T un G"C atbilstību sauc par komplementaritātes likumu, un pašas ķēdes sauc par komplementārām. Saskaņā ar šo noteikumu adenīna saturs DNS vienmēr ir vienāds ar timīna saturu, un guanīna daudzums vienmēr ir vienāds ar citozīna daudzumu. Jāatzīmē, ka divas DNS virknes, kaut arī ķīmiski atšķiras, satur vienu un to pašu informāciju, jo komplementaritātes dēļ viena virkne unikāli nosaka otru. RNS struktūra ir mazāk sakārtota. Parasti tā ir vienpavedienu molekula, lai gan dažu vīrusu RNS sastāv no diviem pavedieniem. Bet pat šī RNS ir elastīgāka nekā DNS. Daži RNS molekulas reģioni ir savstarpēji papildinoši un, kad virkne ir saliekta, savienojas pārī, veidojot divpavedienu struktūras (matadatas). Tas galvenokārt attiecas uz pārneses RNS (tRNS). Dažas tRNS bāzes tiek modificētas pēc molekulas sintezēšanas. Piemēram, dažreiz tiem pievieno metilgrupas.
NULEĪNSKĀBJU FUNKCIJA
Viena no galvenajām nukleīnskābju funkcijām ir olbaltumvielu sintēzes noteikšana. Informācija par DNS nukleotīdu secībā kodēto proteīnu struktūru ir jāpārraida no vienas paaudzes uz otru, un tāpēc ir nepieciešama tās bezkļūdu kopēšana, t.i. tieši tādas pašas DNS molekulas sintēze (replikācija).
Replikācija un transkripcija. No ķīmiskā viedokļa nukleīnskābju sintēze ir polimerizācija, t.i. celtniecības bloku secīgs savienojums. Nukleozīdu trifosfāti kalpo kā tādi bloki; reakciju var attēlot šādi:
Sintēzei nepieciešamā enerģija tiek atbrīvota, kad tiek noņemts pirofosfāts, un reakciju katalizē īpaši fermenti - DNS polimerāzes. Šāda sintētiskā procesa rezultātā mēs iegūtu polimēru ar nejaušu bāzu secību. Tomēr lielākā daļa polimerāžu darbojas tikai jau esošas nukleīnskābes veidnes klātbūtnē, kas nosaka, kurš nukleotīds tiks pievienots ķēdes galā. Šim nukleotīdam jābūt komplementāram ar atbilstošo veidnes nukleotīdu, lai jaunā virkne būtu komplementāra ar sākotnējo. Pēc tam kā veidni izmantojot papildu daļu, mēs iegūstam precīzu oriģināla kopiju. DNS sastāv no divām savstarpēji komplementārām daļām. Replikācijas laikā tie atšķiras, un katrs no tiem kalpo kā veidne jaunas ķēdes sintēzei:
Tas rada divas jaunas dubultās spirāles ar tādu pašu bāzes secību kā sākotnējā DNS. Dažreiz replikācijas process “neizdodas” un notiek mutācijas (sk. arī MANTOJUMS). DNS transkripcijas rezultātā veidojas šūnu RNS (mRNS, rRNS un tRNS):
Tie papildina vienu no DNS virknēm un ir otras virknes kopija, izņemot to, ka uracils ieņem timīna vietu. Tādā veidā jūs varat iegūt daudzas vienas DNS ķēdes RNS kopijas. Normālā šūnā informācijas pārnešana notiek tikai virzienā DNS -> DNS un DNS -> RNS. Taču ar vīrusu inficētajās šūnās iespējami arī citi procesi: RNS -> RNS un RNS -> DNS. Daudzu vīrusu ģenētiskais materiāls ir RNS molekula, parasti vienpavedienu. Iekļūstot saimniekšūnā, šī RNS tiek replicēta, veidojot komplementāru molekulu, uz kuras, savukārt, tiek sintezētas daudzas sākotnējās vīrusa RNS kopijas:
Vīrusu RNS var pārrakstīt ar enzīmu, ko sauc par reverso transkriptāzi, DNS, kas dažkārt tiek iekļauta saimniekšūnas hromosomu DNS. Šī DNS tagad pārnēsā vīrusu gēnus, un pēc transkripcijas šūnā var parādīties vīrusa RNS. Tādējādi pēc ilgāka laika, kura laikā šūnā vīruss nav konstatēts, tas tajā atkal parādīsies bez atkārtotas inficēšanās. Vīrusi, kuru ģenētiskais materiāls ir ievietots saimniekšūnas hromosomā, bieži ir vēža cēlonis.
Nukleīnskābju pārvēršana olbaltumvielās.Ģenētiskā informācija, kas kodēta DNS nukleotīdu secībā, tiek tulkota ne tikai RNS nukleotīdu secības valodā, bet arī aminoskābju - olbaltumvielu monomēru vienību - valodā. Olbaltumvielu molekula ir aminoskābju ķēde. Katra aminoskābe satur skābu karboksilgrupu -COOH un pamata aminogrupu -NH2. Vienas aminoskābes karboksilgrupa saistās ar citas aminogrupu, veidojot amīda saiti, un šis process turpinās, līdz veidojas ķēde, kas satur līdz 1000 aminoskābēm (skat. arī PROTEĪNI). Olbaltumvielas satur 20 dažādas aminoskābes, kuru secība nosaka to būtību un funkcijas. Šo secību nosaka atbilstošā gēna nukleotīdu secība - DNS sadaļa, kas kodē šo proteīnu. Tomēr pati DNS nav proteīnu sintēzes veidne. Pirmkārt, tas tiek transkribēts kodolā, veidojot ziņojuma RNS (mRNS), kas izkliedējas citoplazmā, un uz tā kā matrica tiek sintezēts proteīns. Procesu paātrina fakts, ka uz katras mRNS molekulas vienlaicīgi var sintezēt daudzas olbaltumvielu molekulas. Nukleīnskābju replikācija tiek veikta, veidojot ūdeņraža saites starp vecāku un meitas ķēžu komplementārajām bāzēm. Aminoskābes neveido ūdeņraža saites ar bāzēm, tāpēc tieša veidnes kopēšana nav iespējama. Tie mijiedarbojas ar matricu netieši, izmantojot “adapteru” nukleīnskābes - mazas pārneses RNS (tRNS) molekulas, kas sastāv no aptuveni 80 bāzēm un spēj saistīties ar mRNS. Katra tRNS satur īpašu trīs bāzu secību, antikodonu, kas ir komplementāra trīs bāzu grupai, kodonam, mRNS. Antikodoni mijiedarbojas ar kodoniem saskaņā ar komplementaritātes likumu, līdzīgi kā mijiedarbojas divas DNS virknes. Tādējādi mRNS bāzu secība nosaka secību, kādā tiek pievienotas aminoskābes saturošās tRNS. Shematiski informācijas pārnešanu no DNS uz proteīnu var attēlot šādi:
Bāzu secība DNS nosaka aminoskābju secību olbaltumvielās, jo katru aminoskābi konkrēts enzīms pievieno tikai noteiktām tRNS, bet tās, savukārt, tikai noteiktiem mRNS kodoniem. tRNS-aminoskābju kompleksi saistās ar šablonu pa vienam. Galvenie proteīnu sintēzes posmi ir uzskaitīti zemāk (sk. arī attēlu).
1. Fermenti, ko sauc par aminoacil-tRNS sintetāzēm, pievieno aminoskābes atbilstošajām tRNS. Ir 20 šādi fermenti, viens katrai aminoskābei. 2. MRNS molekula pievieno savu pirmo kodonu mazai daļiņai, ko sauc par ribosomu. Ribosomas sastāv no aptuveni vienāda daudzuma rRNS un proteīna. Ribosomu struktūra un funkcija ir ļoti sarežģīta, taču to galvenais uzdevums ir atvieglot mRNS un tRNS mijiedarbību un paātrināt ar dažādām tRNS saistīto aminoskābju polimerizāciju. 3. tRNS, kas ielādēta ar aminoskābi, saistās ar atbilstošo mRNS kodonu, kas savukārt saskaras ar ribosomu. Veidojas ribosomu-mRNS-tRNS-aminoskābju komplekss. 4. MRNS, tāpat kā konveijera lente, pārvietojas pa ribosomu vienu kodonu uz priekšu. 5. Nākamā ar aminoskābēm ielādētā tRNS tiek pievienota otrajam kodonam. 6. Pirmā un otrā aminoskābe saistās kopā. 7. Pirmā tRNS atdalās no kompleksa, un tagad otrā tRNS satur divas savstarpēji saistītas aminoskābes. 8. MRNS atkal virzās uz priekšu vienu kodonu, un visi notikumi atkārtojas, un augošā aminoskābju ķēde tiek pagarināta par vienu aminoskābi. Process turpinās, līdz tiek sasniegts pēdējais, “stop” kodons un pēdējā tRNS tiek atdalīta no gatavās proteīna ķēdes. Baktēriju šūnās dažu sekunžu laikā tiek samontēta 100-200 aminoskābju ķēde. Dzīvnieku šūnās šis process aizņem apmēram minūti.
Ģenētiskais kods. Tātad katru proteīna aminoskābi netieši nosaka īpašs kodons (3 bāzu grupa) mRNS un galu galā DNS. Tā kā nukleīnskābēs ir četru veidu bāzes, iespējamo kodonu skaits ir 4ґ4ґ4 = 64. Atbilstību starp kodoniem un aminoskābēm, ko tie kodē, sauc par ģenētisko vai bioloģisko kodu. Šī atbilstība tika noteikta eksperimentāli: iznīcinātajām šūnām tika pievienoti zināma sastāva sintētiskie polinukleotīdi un tika apskatīts, kuras aminoskābes ir iekļautas olbaltumvielās. Vēlāk kļuva iespējams tieši salīdzināt aminoskābju secības vīrusu proteīnos un bāzu secības vīrusu nukleīnskābēs. Ārkārtīgi interesanti, ka ģenētiskais kods ar retiem izņēmumiem ir vienāds visiem organismiem – no vīrusiem līdz cilvēkiem. Viens no šādiem izņēmumiem ir izmaiņas mitohondriju izmantotajā ģenētiskajā kodā. Mitohondriji ir mazas, autonomas subcelulāras daļiņas (organellas), kas atrodas visās šūnās, izņemot baktērijas un nobriedušas sarkanās asins šūnas. Tiek uzskatīts, ka mitohondriji kādreiz bija neatkarīgi organismi; Iekļūstot šūnās, tās galu galā kļuva par to neatņemamu sastāvdaļu, taču saglabāja noteiktu daudzumu savas DNS un sintezēja vairākus mitohondriju proteīnus.
Vispārīgi runājot, katrai aminoskābei ir vairāk nekā viens kodons. Lielākajai daļai kodonu, kas kodē vienu un to pašu aminoskābi, ir vienas un tās pašas pirmās divas bāzes, bet trīs gadījumos (leicīns, serīns un arginīns) ir divas alternatīvas pirmo dubletu kopas kodonos, kas atbilst vienai un tai pašai aminoskābei. Trešajā pozīcijā esošās bāzes raksturs nav tik svarīgs; vienu un to pašu aminoskābi - glicīnu - var kodēt dažādi: GGU, GGC, GGA un GGG. Tomēr divu dažādu aminoskābju kodoniem var būt divas identiskas pirmās bāzes, un tādā gadījumā atšķirību starp tām noteiks trešās bāzes raksturs - purīns vai pirimidīns. Tādējādi histidīnu kodē CAA un CAC tripleti, un glutamīnu kodē CAA un CAG. Trīs kodoni, UAA, UAG un UGA, nekodē nekādas aminoskābes un tiek saukti par "muļķībām". Viena DNS molekula kodē daudzas olbaltumvielu ķēdes. Katru segmentu, kas kodē vienu ķēdi, sauc par cistronu. Cistrona sākums un beigas, kā arī saskarne starp tiem ir apzīmēti ar sava veida ķīmiskām pieturzīmēm. Vismaz baktērijās metionīna kodons AUG atrodas cistrona sākumā. Ir loģiski pieņemt, ka pirmajai aminoskābei proteīnā vienmēr jābūt metionīnam, bet bieži vien pirmās dažas aminoskābes tiek atdalītas fermentatīvi pēc proteīna sintēzes pabeigšanas. Olbaltumvielu ķēdes beigas ir apzīmētas ar vienu vai vairākiem "muļķīgiem" kodoniem. Baktērijās (prokariotos) gandrīz visa DNS kodē kādu proteīnu vai tRNS. Tomēr augstākās formās (eikariotos) ievērojama DNS daļa sastāv no vienkāršām atkārtojošām sekvencēm un “klusiem” gēniem, kas netiek pārrakstīti RNS un tāpēc netiek pārvērsti proteīnos. Turklāt sākotnēji sintezētā mRNS satur reģionus, kas nenosaka nekādas olbaltumvielu sekvences. Šādi apgabali (introni), kas atrodas starp kodējošiem reģioniem (eksoniem), tiek noņemti ar īpašu fermentu palīdzību, pirms sākas proteīnu sintēze. Kāpēc šie šķietami bezjēdzīgie segmenti pastāv DNS, nav skaidrs; varbūt viņi pilda regulējošas funkcijas. Vienkāršākajā Tetrahymena gadījumā RNS pati noņem savus intronus un savienojas ar ķēžu brīvajiem galiem, darbojoties kā enzīms attiecībā pret sevi. Šis ir vienīgais zināmais izņēmums no noteikuma, ka nukleīnskābēm nav enzīmu aktivitātes.
RNS pārnešana un apspiešana. DNS ietvertās informācijas nozīmi, ja to pārtulko aminoskābju valodā, nosaka gan pati DNS, gan lasīšanas mehānisms, t.i. ir atkarīgs ne tikai no tā, kuri kodoni atrodas DNS un kādā secībā tie atrodas, bet arī no tā, kurām aminoskābēm (un kurām tRNS) pievienojas aminoacil-tRNS sintetāzes. Protams, sintetāžu un tRNS dabu nosaka arī DNS, un šajā ziņā DNS ir primārais proteīnu secības noteicējs. Tomēr vispārējā noteikšana ir visas sistēmas funkcija, jo rezultāts ir atkarīgs no sākotnējām sastāvdaļām. Ja tRNS un aminoskābju atbilstība būtu atšķirīga, mainītos arī kodonu nozīme. Ir zināms, ka DNS mutācijas maina lasīšanas mehānismu un līdz ar to maina – kaut arī nedaudz – kodonu nozīmi. Tādējādi baktērijās Escherichia coli glicīna tRNS parasti atpazīst HGA kodonu mRNS; mutācija DNS, no kuras šī tRNS tiek pārrakstīta, maina glicīna tRNS antikodonu tā, ka tā tagad atpazīst kodonu AGA, kas atbilst arginīnam, un proteīna molekulā arginīna vietā parādās glicīns. Tam ne vienmēr ir letālas sekas, jo ne visus arginīnus kodē AGA triplets, un ir arginīna tRNS, kas joprojām atpazīst “savas” AGA. Rezultātā visas olbaltumvielu molekulas netiek mainītas. Dažreiz šādas mutācijas, kas maina antikodonu, nomāc (nomāc) mutācijas kodonā. Piemēram, ja mutācija maina GGA glicīna kodonu uz AGA, to joprojām var nolasīt kā glicīnu, ja glicīna tRNS antikodons savukārt ir mainījies tā, ka tRNS atpazīst AGA. Šajā gadījumā otrā “kļūda” novērš pirmo. Mutācijām, kas izraisa izmaiņas antikodonos, var būt dažādas sekas, jo vienu un to pašu kodonu var atpazīt vairākas tRNS. Vispārīgi runājot, atpazīšana notiek kodona un antikodona bāzu komplementaritātes dēļ, bet vienu no kodona bāzēm var modificēt tā, ka antikodons atpazīs pat nepilnīgi komplementāru kodonu. Rezultātā viena un tā pati tRNS var mijiedarboties ar vairākiem dažādiem kodoniem, kas kodē vienu un to pašu aminoskābi. Šo kodona un antikodona nepilnīgās saskaņošanas fenomenu F. Kriks nosauca par "ļodzīgu".
Gēnu aktivitātes regulēšana. Organismam tā būtu katastrofa, ja visās šūnās vienlaicīgi strādātu visi tā gēni un tiktu sintezēti visi to kodētie proteīni. Baktērijām, piemēram, pastāvīgi jāpielāgojas vides apstākļiem, sintezējot nepieciešamos fermentus. Visām augstāko organismu šūnām ir vienāds gēnu komplekts, bet, par laimi, smadzeņu šūnas neražo gremošanas enzīmus, un muskuļu proteīni acs lēcā netiek sintezēti. Gēna aktivitāti raksturo tas, vai tas tiek transkribēts, lai iegūtu atbilstošo mRNS. DNS ir gara molekula, un atsevišķās tās daļās ir sekvences, ko sauc par promotoriem, kurus atpazīst īpašs transkripcijas enzīms polimerāze. Šajos reģionos un tikai tajos sākas transkripcija, kas turpinās, līdz sasniedz bāzu secību, kas iezīmē lasīšanas beigas. Ir īpaši represoru proteīni, kas saistās ar DNS netālu no promotora vietā, ko sauc par operatoru. Iegūtais komplekss bloķē transkripciju, un mRNS netiek sintezēts. Tādējādi represoru proteīni ir transkripcijas inhibitori. No otras puses, ir mazas molekulas, kas veido kompleksu ar represoriem un mazina to bloķējošo ietekmi uz transkripciju. Citiem vārdiem sakot, tie inhibē inhibitorus. Tādējādi baktērijām parasti trūkst fermentu, kas katalizē noteiktu cukuru sadalīšanos; tomēr, ja kāds no šiem cukuriem parādās barotnē, tas veido kompleksu ar represoru, inhibīcija tiek noņemta un tiek iedarbināta atbilstošā enzīma sintēze. Fermentus, kuru sintēzi ierosina paši substrāti, sauc par inducējamiem. Dažos gadījumos, gluži pretēji, represora proteīns nebloķē mRNS transkripciju, ja vien tas nav saistīts ar noteiktu molekulu. Baktērijās daži fermenti, kas piedalās noteiktu aminoskābju sintēzē, veidojas tikai tad, ja nav šo aminoskābju, t.i. baktērijas ražo šos fermentus tikai nepieciešamības gadījumā. Ja barotnei pievienojat atbilstošo aminoskābi, tā veido kompleksu ar represoru un aktivizē to, tādējādi kavējot atbilstošo gēnu transkripciju. Jau izveidotā mRNS drīz tiek sašķelta, un fermentu sintēze apstājas. Šādi fermenti ir negatīvi inducējami. Tā kā pašus represorolbaltumvielas kodē gēni, kuru darbību savukārt var regulēt citi gēni, un arī mazo molekulu induktoru un hormonu sintēzi galu galā regulē gēni, gēnu aktivitātes regulēšanas mehānismi var būt ļoti dažādi. komplekss.
LITERATŪRA
Ichas M. Bioloģiskais kods. M., 1971 Šabarova Z.A., Bogdanovs A.A. Nukleīnskābju un to komponentu ķīmija, M., 1978 Zenger V. Nukleīnskābju strukturālās organizācijas principi. M., 1987. gads
Koljēra enciklopēdija. - Atvērtā sabiedrība. 2000 .
Skatiet, kas ir "NUCLEIC ACIDS" citās vārdnīcās:
Polinukleotīdi, fosforu saturoši biopolimēri, kuriem ir universāla izplatība dzīvajā dabā. Pirmo reizi tās atklāja F. Mišers 1868. gadā šūnās, kas bagātas ar kodolmateriālu (leikocītiem, laša spermu). Termins "N. Uz." ierosināts 1889. gadā. Bioloģiskā enciklopēdiskā vārdnīca
- (polinukleotīdi), lielmolekulārie organiskie savienojumi, ko veido nukleotīdu atliekas. Atkarībā no tā, kurš ogļhidrāts ir daļa no nukleīnskābes dezoksiribozes vai ribozes, izšķir dezoksiribonukleīnskābi (DNS) un... Mūsdienu enciklopēdija
Pierādījumi par DNS ģenētisko lomu
Nosaukums “nukleīnskābes” cēlies no latīņu vārda “nucleus”, t.i. kodols. Pirmo reizi tos 1868. gadā atklāja I.F. Miescher leikocītu kodolos.
Eksperimenti 1940. un 1950. gados pārliecinoši pierādīja, ka tieši nukleīnskābes (nevis olbaltumvielas, kā daudzi uzskata) ir iedzimtas informācijas nesējas visos organismos. Šie eksperimenti atklāja parādību bioloģisko raksturu transformācijas un transdukcijas, mikroorganismu līmenī, organismu un šūnu mijiedarbības mehānismi.
Transformācija(no latīņu valodas transformācija - transformācija, maiņa) - baktēriju šūnas iedzimto īpašību maiņa svešas DNS iekļūšanas rezultātā. Pirmo reizi 1928. gadā atklāja F. Grifits. Grifits atklāja, ka tad, kad pelēm vienlaikus tika injicēti divi pneimokoku celmi (R-celms, kas nav virulents, un S-celms, virulents, bet nogalināja karstumā), pēc dažām dienām tās nomira un virulentie S-pneimokoki. celms tika atrasts viņu asinīs (7.1. att.).
ŠIS. Eiveris kopā ar saviem kolēģiem (1944) konstatēja, ka DNS molekulas ir faktors, kas nepatogēnās baktērijas pārvērš patogēnās.
Līdz ar transformācijas atklāšanu un izpēti kļuva skaidrs, ka DNS ir materiālais iedzimtās informācijas nesējs. Transformācija iespējama arī augstāku organismu šūnās.
Transdukcija (no latīņu transductio - kustība) - DNS fragmentu pārvietošana ar bakteriofāgu no vienas baktērijas šūnas uz otru, kas izraisa izmaiņas šūnas iedzimtajās īpašībās. DNS replikācijas procesā ievadītā informācija tiek pārraidīta caur baktēriju šūnu paaudzēm.
Transdukcijas fenomens ir DNS ģenētiskās lomas apstiprinājums, un to izmanto arī hromosomu struktūras, gēnu struktūras pētīšanai un ir viena no gēnu inženierijas metodēm.
7. att. 1. Grifita eksperimenta shematisks attēlojums: a – pele, kurai injicēta patogēna iekapsulēta S-pneimokoku celma kultūra, nomirst; b – pele, kurai injicēta nepatogēna nekapsulāra R-mutanta kultūra, nemirst; c – pele, kas saņēmusi karstumā nogalinātas S-celma kultūras injekciju, nemirst; Pele, kas injekcijas veidā saņēma dzīvu R-mutantu kultūras un termiski nogalinātas S-celma kultūras maisījumu, nomirst.
Vēl vienu pierādījums ka nukleīnskābes, nevis olbaltumvielas ir materiāls ģenētiskās informācijas substrāts, bija H. Frenkel-Konrath (1950) eksperimenti ar tabakas mozaīkas vīrusu (TMV).
H. Frenkela-Konrata eksperimentu shēma
Tādējādi, atklājot transformācijas un transdukcijas faktoru ķīmisko raksturu baktērijās un vīrusa un šūnas mijiedarbības mehānismus, tika pierādīta nukleīnskābju nozīme iedzimtas informācijas pārraidē.
Nukleīnskābju struktūra
Nukleīnskābes ir polimēri, kuru monomēri ir nukleotīdi. Nukleotīds ietver slāpekļa bāzi, pentozes ogļhidrātu un fosforskābes atlikumu (7.2. att.).
| Slāpekļa bāze |
| pentoze |
| 2" |
| 4" |
| 5" |
| 1 " |
| 3" |
7.2.att. Nukleotīdu struktūra
Nukleotīdu slāpekļa bāzes iedala divos veidos: pirimidīns(sastāv no viena 6 locekļu gredzena) un purīns(sastāv no diviem sakausētiem 5 un 6 locekļu gredzeniem). Katram bāzes gredzenu oglekļa atomam ir savs noteiktais skaitlis, bet ar sākotnējo indeksu (′). Nukleotīdā slāpekļa bāze vienmēr ir piesaistīta pentozes ogļhidrāta pirmajam atomam.
Tieši slāpekļa bāzes nosaka DNS un RNS molekulu unikālo struktūru. Nukleīnskābēs ir 5 galvenie slāpekļa bāzu veidi (purīns - adenīns un guanīns, pirimidīns - timīns, citozīns, uracils) un vairāk nekā 50 retas (netipiskas) bāzes. Pamata slāpekļa bāzes tiek apzīmētas ar sākuma burtiem A, G, T, C, U. Nukleotīdi tiek nosaukti pēc tajos esošajām slāpekļa bāzēm (7.1. tabula).
7.1. tabula. RNS un DNS slāpekļa bāzu, nukleozīdu un nukleotīdu veidi
| Slāpekļa bāzu nosaukumi | Nukleozīdi | Nukleotīdi | Saīsināts apzīmējumi nukleotīdi | ||||
| Pilns | Saīsināts krievu valodā. un angliski.. | ||||||
| RNS | |||||||
| Purīns: | |||||||
| Adenīns | (A; A) | Adenozīns | Adenilskābe (adenozīna-5"-fosfāts) | AMF | |||
| Guanīns | (G;G) | Guanozīns | Guanilskābe (guanozīna 5"-fosfāts") | GMF | |||
| Pirimidīns: | |||||||
| Citozīns | (C; C) | Citidīns | Citidilskābe (citidīna 5"-fosfāts) | CMF | |||
| Uracils | (U; U) | Uridīns | Uridilskābe (uridīna-5"-fosfāts) | UMF | |||
| DNS | |||||||
| Purīns: | |||||||
| Adenīns | (A, A) | Deoksi-adenozīns | Deoksiadenilskābe (deoksiadenozīna-5-fosfāts) | dAMP | |||
| Guanīns | (G;G) | Dezoksiguanozīns | Deoksiguanilskābe (deoksiguanozīna-5-fosfāts) | dGMP | |||
| Pirimidīns: | |||||||
| Citozīns | (C; C) | Deoksicitidīns | Deoksicitidilskābe (deoksicitidīna-5"-fosfāts) | dCMF | |||
| Timins | (T; T) | Timidīns | Timidilskābe (timidīna-5"-fosfāts) | TMF | |||
Lineāras polinukleotīdu ķēdes veidošanās notiek caur veidošanos fosfodiestera saite viena nukleotīda pentozes ar cita nukleotīda fosfātu. Pentozes fosfāta mugurkauls sastāv no (5′-3′) saitēm. Termināla nukleotīda vienā ķēdes galā vienmēr ir brīva 5′ grupa, bet otrā - 3′ grupa.
7.3.att. DNS un RNS molekulu polipeptīdu ķēžu veidošanās
Dabā ir divu veidu nukleīnskābes: DNS un RNS. Prokariotu un eikariotu organismos ģenētiskās funkcijas veic abu veidu nukleīnskābes. Vīrusi vienmēr satur tikai viena veida nukleīnskābes.
Galvenās atšķirības starp DNS un RNS ir parādītas 7.2. tabulā.
7.2. tabula Nukleīnskābju raksturojums
| Raksturīgs | DNS | RNS |
| Struktūra | dubultspirāle | atšķiras dažādām RNS |
| Ķēžu skaits | divi | viens |
| Slāpekļa bāzes nukleotīdos | adenīns (A), guanīns (G), citozīns (C), timīns (T) | adenīns (A), guanīns (G), citozīns (C), uracils (U) |
| Monosaharīdi nukleotīdos | dezoksiriboze | riboze |
| Sintēzes metode | Divkāršošana saskaņā ar komplementaritātes principu. Katra jauna dubultspirāle satur vienu veco un vienu jaunu sintezētu pavedienu | Veidnes sintēze balstās uz komplementaritātes principu vienā no DNS virknēm |
| Funkcijas | Ģenētiskās informācijas saglabāšana un nodošana paaudzēs | Piedalās olbaltumvielu sintēzē; m-RNS (matrica) – pārraida informāciju par proteīna struktūru no DNS uz tās sintēzes vietu; r-RNS (ribosomu) - ribosomu struktūras daļa, uz kuras tiek sintezēts proteīns; t-RNS (transports) – transportē aminoskābju molekulas uz ribosomām. |
DNS
slāpekļa bāze:
adenīns, guanīns, timīns , citozīns
ogļhidrātu: dezoksiriboze C5H10O4
fosforskābes atlikums
RNS
slāpekļa bāze:
adenīns, guanīns, timīns, uracils
ogļhidrāti: riboze C5H10O5
fosforskābes atlikums
Dezoksiribonukleīnskābe (DNS)
1951. gadā E. Čargafs formulēja DNS nukleotīdu sastāva noteikumi:
1. Dažādu ķermeņa audu šūnām ir vienāds DNS nukleotīdu sastāvs.
2. Vienas sugas organismiem ir atšķirīgs nukleotīdu sastāvs.
3. DNS molekulā A=T un G=C savukārt A+G = T+C. Katram organisma veidam attiecība A + G / T + C ir specifiska (cilvēkiem šī attiecība ir 1,52).
Šie noteikumi kļuva par atslēgu DNS makromolekulārās struktūras atbloķēšanai.
DNS molekulas struktūru pirmo reizi atšifrēja J. Vatsons un F. Kriks 1953. gadā. Saskaņā ar viņu modeli DNS sastāv no divām polinukleotīdu ķēdēm, kas ir spirāliski savītas viena pret otru.
Šo ķēžu monomēri ir nukleotīdi. Nukleotīdi tiek savienoti ķēdē, veidojot fosfodiestera (kovalentās) saites starp viena nukleotīda dezoksiribozi un cita, blakus esošā nukleotīda fosforskābes atlikumu (7.4. att.).
Divas polinukleotīdu ķēdes tiek apvienotas DNS molekulā, izmantojot ūdeņraža saites starp dažādu ķēžu nukleotīdu slāpekļa bāzēm. Slāpekļa bāzes ir savienotas pēc komplementaritātes principa. (adenīns savienojas ar timīnu, izmantojot divas ūdeņraža saites, un guanīns savienojas ar citozīnu, izmantojot trīs)
7.4.att. Komplementaritātes princips
Komplementaritātes princips ir viens no dzīvās dabas pamatlikumiem, kas nosaka iedzimtas informācijas pārraides mehānismu.
Vienas molekulas polinukleotīdu ķēdes ir pretparalēlas, t.i. Pretī vienas ķēdes 3′ galam ir otras ķēdes 5′ gals.
Lai gan DNS molekulā ir tikai 4 dažādu nukleotīdu veidi, to dažādo secību un milzīgā daudzuma dēļ polipeptīdu ķēdē tiek panākta neticama DNS molekulu dažādība.
Nukleotīdu secības pārkāpums DNS ķēdē izraisa iedzimtas izmaiņas cilvēka ķermenī - mutācijas. Šūnu dalīšanās laikā DNS tiek precīzi reproducēta, kas nodrošina iedzimto īpašību un īpašību pārnešanu vairākās paaudzēs un šūnās.
DNS dubultspirāles atklāšana bija viens no visievērojamākajiem notikumiem bioloģijas vēsturē. Tikai piecus gadus vēlāk tika iegūts pirmais DNS modeļa eksperimentālais apstiprinājums M. Meselsona un F. Stāla darbos. Pēc šiem atklājumiem pienāca laiks vēl nepieredzētam progresam dabas lielākā noslēpuma izpratnē – iedzimtības informācijas ieviešanā. Ir sācies molekulārās bioloģijas laikmets.
DNS sugas specifika
Dažādu sugu pārstāvji atšķiras (A + T) un (G + C) attiecībās. Dzīvniekiem dominē A+T pāris, mikroorganismos attiecība (A+T) un (G+C) ir vienāda. Tā ir DNS sugas specifika. Šis indikators tiek izmantots kā viens no ģenētiskajiem kritērijiem sugas noteikšanai.
DNS strukturālie līmeņi
DNS ir sadalīta primārajā, sekundārajā un terciārajā struktūrā.
Primārā struktūra ir nukleotīdu secība polinukleotīdu ķēdē.
Sekundārā struktūra ir polinukleotīdu ķēžu dubultspirāle, kas savienota ar ūdeņraža saitēm.
Ir vairāki DNS spirāles veidi. Normālos fizioloģiskos apstākļos visizplatītākā labās rokas spirāle ir B forma. Šī ir standarta Watson-Crick struktūra. Spirāles diametrs ir 2 nm, spirāles solis ir 3,4 nm, katrs spirāles pagrieziens satur 10 bāzes pārus.
Kopā ar B formu tika atrastas DNS sekcijas, kurām ir atšķirīga konfigurācija - gan labās puses (A un C formas), gan kreiso (Z-forma).
A forma - pilns spirāles apgrieziens ir 2,8 2,8 nm, vienā apgriezienā ir 11 pāri slāpekļa bāzu. DNS šajā formā replikācijas laikā darbojas kā veidne.
C formā ir 9 bāzes pāri uz vienu spirāles apgriezienu. Ζ forma ir kreisās puses spirāle, kurai ir 12 bāzes pāri vienā apgriezienā. Burts Z norāda DNS cukura-fosfāta mugurkaula zigzaga formu. Šūnā DNS parasti ir B formā, bet atsevišķas sekcijas var būt A-Z vai pat citā konfigurācijā DNS superspirāles dēļ. DNS molekulu konformācija ir atkarīga no apstākļiem un ir viena no ietekmes svirām uz gēnu darbību.
terciārā struktūra -Šis trīsdimensiju DNS superspirāle ir raksturīga eikariotu hromosomām, un to izraisa DNS mijiedarbība ar kodolproteīniem. Lielākajā daļā prokariotu, dažu vīrusu, kā arī eikariotu mitohondrijās un hloroplastos DNS nav saistīta ar olbaltumvielām.
Galvenās DNS īpašības ir tās spēja replicēties un laboties
DNS replikācija
Replikācija (autoreprodukcija, autosintēze, reduplikācija) ir DNS molekulu dubultošanās, piedaloties īpašiem enzīmiem. Tas notiek pirms katra kodola dalījuma starpfāzes S-periodā. Reduplikācija nodrošina precīzu DNS molekulās esošās ģenētiskās informācijas pārraidi no paaudzes paaudzē.
Eikariotu milzu DNS molekulām ir daudzas replikācijas vietas - replikoni, savukārt prokariotu relatīvi mazās apļveida DNS molekulas katra pārstāv vienu replikonu. Eikariotu milzīgo DNS molekulu polireplicatīvā daba nodrošina replikāciju bez vienlaicīgas visas molekulas atdalīšanas. Pretējā gadījumā kopumā prokariotu un eikariotu replikācijas procesi ir ļoti līdzīgi.
DNS replikācijas process replikonā notiek 3 posmos, kuros iesaistīti vairāki dažādi fermenti.
Pirmais posms. DNS replikācija sākas no lokālas vietas, kur DNS dubultspirāle (enzīmu DNS helikāze, DNS topoizomerāze utt. iedarbībā) atritinās, tiek pārtrauktas ūdeņraža saites un ķēdes atšķiras. Rezultātā izveidojās struktūra, ko sauc replikācijas dakša(7.5. att.).
7.5.att. DNS replikācijas shēma
Otrajā posmā Notiek tipiska matricas sintēze. Izveidotajām brīvajām saitēm uz mātes DNS virknēm tiek pievienoti brīvie nukleotīdi pēc komplementaritātes principa (A-T, G-C). Šis process notiek visā DNS molekulā. Katrai meitas DNS molekulai viena virkne nāk no mātes molekulas, bet otra ir tikko sintezēta. Šo replikācijas modeli sauc puskonservatīvs. Šo posmu veic enzīms DNS polimerāze (ir zināmas vairākas šķirnes).
Sintēze abos mātes pavedienos notiek atšķirīgi. Tā kā sintēze iespējama tikai 5′ - 3′ virzienā, vienā virknē notiek ātra sintēze, bet otrā – lēna, īsos 1000-2000 nukleotīdu fragmentos. Tie tiek saukti par godu R. Okazaki, kurš tos atklāja. Okazaki fragmenti. Okazaki fragmenti veidojas uz RNS praimeru (RNS praimeru) bāzes, kas tiek sintezēti, izmantojot īpašu enzīmu RNS primāzi. Pēc savas funkcijas veikšanas RNS praimeris tiek noņemts, un DNS ligāze pievienojas Okazaki fragmentiem un atjauno DNS primāro struktūru.
Trešajā posmā Spirāle tiek savīta un DNS sekundārā struktūra tiek atjaunota ar DNS girāzes palīdzību.
Lielākā daļa enzīmu, kas iesaistīti DNS replikācijā, darbojas daudzenzīmu kompleksā, kas saistīts ar DNS. Tas ļauj replikācijai notikt ar milzīgu ātrumu (prokariotiem - apmēram 3000 nukleotīdu pāriem (bp) sekundē, eikariotos - 100-300 bp sekundē).
Divas jaunās DNS molekulas ir precīzas sākotnējās molekulas kopijas (7.6. att.)
7.6.att. A – DNS replikācija; B- DNS sintēze
Ja replikācijas laikā augošajā DNS ķēdē parādās kļūdains nukleotīds, tad šajā situācijā tiek aktivizēts paškorekcijas mehānisms. DNS paškorekcija ietver kļūdu labošanu, kas rodas nukleīnskābes sintēzes laikā, izmantojot enzīmu DNS polimerāzi (vai cieši saistītu enzīmu, reducējošo endonukleāzi).
DNS remonts
Reparācija (no latīņu valodas reparation — restaurācija)– mutagēno faktoru iedarbības rezultātā bojātās DNS primārās struktūras atjaunošanas process.
Šūnām ir dažādas “remonta” sistēmas, kas novērš radiācijas vai ķīmisko faktoru izraisītus DNS bojājumus. Parasti tiek apsvērti trīs galvenie labošanas veidi:
· fotoremonts (fotoreaktivācija);
· izgriešanas remonts;
· pēcreplikācijas remonts.
Vislabāk pētīts ir ultravioleto staru radīto bojājumu novēršana. Pakļaujot ultravioleto gaismu, starp blakus esošajām vienas un tās pašas DNS virknes pirimidīna bāzēm parādās dimēri. Visbiežāk tiek izmantots T-T dimērs, t.i. ūdeņraža saišu vietā starp divu nukleotīdu ķēžu T un A, vienas ķēdes ietvaros veidojas T-T saites (7.7. att.).
Fotoremonts rodas, pakļaujot redzamai gaismai. Tajā pašā laikā ferments DNS fotoligāze sadala dimēru monomēros un atkal atjauno T-A ūdeņraža saites starp komplementārām ķēdēm
Ekscīzija un pēcreplikācija labošana nav atkarīga no gaismas, un tāpēc to sauc tumšais remonts .
Izgriešanas remontssastāv no DNS bojājuma atpazīšanas, bojātās vietas izgriešanas (izgriešanas) un jauna fragmenta sintezēšanas un ievietošanas.
Tas notiek 4 posmos:
1. Endonukleāze atpazīst bojāto vietu un pārrauj tai blakus esošo DNS virkni.
2. Eksonukleāze “izgriež” bojāto vietu
3. DNS polimerāze, pamatojoties uz neskarto ķēdi, kas kalpo par šablonu, sintezē jaunu fragmentu pēc komplementaritātes principa.
4. Ligāze savieno ķēdes vecās daļas brīvos galus ar tikko sintezētā fragmenta galiem.
7.7. attēls. Reparatīvie procesi. A. Izgriešanas remonts (izmantojot Escherichia coli piemēru). B. Pēcreplikācijas remonts. Piedāvātajā piemērā vienas DNS molekulas pārtraukums tiek slēgts ar SOS labošanu, un notiek mutācija (M). Var būt pārtraukums otrajā DNS molekulā; tiek aizpildīta arī ar SOS remontu vai slēgta ar rekombināciju ar sekojošu remonta sintēzi, kurā neskartā DNS virkne kalpo par veidni. (Saskaņā ar Böhme, Adler, ar modifikācijām.)
Remonts pēc replikācijas ieslēdzas gadījumos, kad netiek novērsti DNS bojājumi, kas radušies pirms tās replikācijas.
Ja dimēri netiks likvidēti, tad atbilstošās bāzes nespēs darboties kā šablons un šajās vietās jaunsintezētajā DNS radīsies spraugas (pārrāvumi). Apmainoties ar fragmentiem (rekombināciju) starp divām DNS dubultvirknēm, replikācijas produkti var veidot vienu normālu dubulto virkni (pēcreplicācijas labošana).
Ja DNS bojājumi ir tik tuvu viens otram, ka spraugas pārklājas, tad tiek aktivizēta cita "remonta" sistēma, lai aizpildītu spraugas - SOS remonts , kas spēj sintezēt jaunu DNS virkni uz bojātas veidnes. Izmantojot šo replikācijas sistēmu, bieži rodas kļūdas un mutācijas .
Šūnu reparatīvās sistēmas spēlē nozīmīgu lomu ģenētiskās homeostāzes, dzīvo sistēmu strukturālās un funkcionālās stabilitātes uzturēšanā .
Ribonukleīnskābes
Ribonukleīnskābe ir biopolimērs, kas galvenokārt sastāv no vienas polinukleotīdu ķēdes. Nukleotīdu struktūra RNS ir līdzīga DNS struktūrai, taču ir šādas atšķirības :
1. Dezoksiribozes vietā RNS nukleotīdi satur ribozi;
2. Slāpekļa bāzes vietā timīns - uracils.
Šūnā ir vairāki RNS veidi, kas atšķiras pēc molekulārā izmēra, struktūras, atrašanās vietas šūnā un funkcijām.
Messenger RNS – mRNS (mRNS) Tas tiek sintezēts vienā no DNS molekulas ķēdēm un pārraida informāciju par proteīna struktūru no šūnas kodola uz ribosomām. Tas sastāv no 300-3000 (citi autori dod 300-30000) nukleotīdus un veido 3-5% no kopējās šūnas RNS.
Tāpat kā DNS molekulai, tai ir sekundāras un terciāras struktūras, kas veidojas ūdeņraža saišu, hidrofobās un elektrostatiskās mijiedarbības rezultātā.
Ribosomu RNS (rRNS) veido 80-85% no kopējās šūnas RNS. Satur 3000-5000 nukleotīdus. Daļa no ribosomām. Tiek uzskatīts, ka rRNS nodrošina noteiktu mRNS un tRNS telpisku izvietojumu proteīnu sintēzes laikā. Informācija par rRNS struktūru ir ietverta sekundārās hromosomu sašaurināšanās reģionā.
Pārnest RNS (tRNS) sastāv no 70-80 nukleotīdiem un veido 10-15% no kopējās šūnas RNS. tRNS funkcija ir aminoskābju pārnešana no citoplazmas uz proteīnu sintēzes vietu ribosomās. tRNS molekulām ir raksturīga sekundārā struktūra, ko sauc āboliņa lapa (7.8. att.).
tRNS trīsdimensiju modelim ir kompakta L veida forma. tRNS ir četras cilpas: akceptora cilpa (kalpo kā vieta aminoskābju pievienošanai), antikodona cilpa (atpazīst kodonus mRNS) un divas sānu cilpas.
7.8.att. tRNS struktūra
Heterogēna kodola RNS- hia-RNS. Tas ir mRNS prekursors eikariotos un apstrādes rezultātā tiek pārveidots par mRNS. Parasti hn-RNS ir daudz garāka nekā i-RNS.
Maza kodola RNS - snRNS. Piedalās hRNS transformācijas procesā.
RNS primer - niecīga RNS (parasti 10 nukleotīdi), kas iesaistīta DNS replikācijas procesā.
RNS bioloģiskā loma sastāv no iedzimtas informācijas saglabāšanas, ieviešanas, pārraidīšanas un proteīnu biosintēzes nodrošināšanas.
Adenozīna trifosforskābe (ATP)
ATP ir mononukleotīds, kas sastāv no slāpekļa bāzes adenīna, ribozes monosaharīda un trīs fosforskābes atlikumiem (7.9. att.). Fosforskābes atlikumus savā starpā savieno augstas enerģijas saites. Kad ir nepieciešama enerģija, ATP tiek sadalīts, veidojot adenozīna difosforskābi (ADP) un fosfora atlikumu. Tas atbrīvo enerģiju.
ATP + H 2 O = ADP + H 3 PO 4 + 40 kJ
ADP var arī sadalīties, veidojot AMP (adenozīna monofosforskābi) un fosforskābes atlikumu.
ADP + H 2 O = AMP + H 3 PO 4 + 40 kJ
7.9.att. ATP struktūras shēma un tā pārvēršana par ADP
AMP pārvēršanās par ADP un ADP par ATP reversās reakcijas notiek ar enerģijas absorbciju enerģijas metabolisma un fotosintēzes procesā.
ATP ir universāls enerģijas avots visiem dzīvo organismu dzīves procesiem.
Nukleīnskābes ir lineāri, nesazaroti heteropolimēri, kuru monomēri ir nukleotīdi, kas saistīti ar fosfodiestera saitēm.
Nukleotīdi ir organiskas vielas, kuru molekulas sastāv no pentozes atlikuma (ribozes vai dezoksiribozes), pie kura kovalenti ir piesaistīts fosforskābes atlikums un slāpekļa bāze. Slāpekļa bāzes nukleotīdos iedala divās grupās: purīns (adenīns un guanīns) un pirimidīns (citozīns, timīns un uracils). Dezoksiribonukleotīdi ietver dezoksiribozi un vienu no slāpekļa bāzēm: adenīnu (A), guanīnu (G), timīnu (T), citozīnu (C). Ribonukleotīdi ietver ribozi un vienu no slāpekļa bāzēm: adenīnu (A), guanīnu (G), uracilu (U), citozīnu (C).
Dažos gadījumos šūnās tiek atrasti dažādi uzskaitīto slāpekļa bāzu atvasinājumi - nelielas bāzes, kas ir daļa no mazākajiem nukleotīdiem.
Nukleīnskābes
Ir divu veidu nukleīnskābes: DNS (dezoksiribonukleīnskābe) un RNS (ribonukleīnskābe). Nukleīnskābes nodrošina ģenētiskās (iedzimtas) informācijas uzglabāšanu, pavairošanu un ieviešanu. Šī informācija tiek atspoguļota (kodēta) nukleotīdu secību veidā. Jo īpaši nukleotīdu secība atspoguļo proteīnu primāro struktūru (skatīt zemāk). Atbilstību starp aminoskābēm un nukleotīdu sekvencēm, kas tās kodē, sauc par ģenētisko kodu. DNS un RNS ģenētiskā koda vienība ir triplets - trīs nukleotīdu secība.
Nukleīnskābes ir ķīmiski aktīvas vielas. Tie veido dažādus savienojumus ar olbaltumvielām – nukleoproteīnus, jeb nukleoproteīnus.
Dezoksiribonukleīnskābe (DNS) ir nukleīnskābe, kuras monomēri ir dezoksiribonukleotīdi. DNS ir galvenais iedzimtās informācijas nesējs. Tas nozīmē, ka visa informācija par atsevišķu šūnu un visa organisma uzbūvi, darbību un attīstību tiek ierakstīta DNS nukleotīdu secību veidā.
Reakcijas, kurās viena heteropolimēra molekula kalpo kā šablons (forma) citas heteropolimēra molekulas ar komplementāru struktūru sintēzei, sauc par šablona tipa reakcijām. Ja reakcijas laikā veidojas vienas un tās pašas vielas molekulas, kas kalpo par matricu, tad reakciju sauc par autokatalītisko. Ja reakcijas laikā uz vienas vielas matricas veidojas citas vielas molekulas, tad šādu reakciju sauc par heterokatalītisko. Tādējādi DNS replikācija (t.i., DNS sintēze uz DNS veidnes) ir autokatalītiska šablona sintēzes reakcija.
Ribonukleīnskābe (RNS) ir nukleīnskābe, kuras monomēri ir ribonukleotīdi.
Vienā RNS molekulā ir vairāki reģioni, kas viens otru papildina. Starp šādiem komplementāriem reģioniem veidojas ūdeņraža saites. Rezultātā vienā RNS molekulā mijas divpavedienu un vienpavedienu struktūras, un kopējā molekulas uzbūve atgādina āboliņa lapu uz kātiņas.
Slāpekļa bāzes, kas veido RNS, spēj veidot ūdeņraža saites ar komplementārām bāzēm gan DNS, gan RNS. Šajā gadījumā slāpekļa bāzes veido pārus A=U, A=T un G≡C. Pateicoties tam, informāciju var pārnest no DNS uz RNS, no RNS uz DNS un no RNS uz olbaltumvielām.
Šūnās, kas veic dažādas funkcijas, ir trīs galvenie RNS veidi:
1. Informācija jeb ziņnesis RNS (mRNS vai mRNS). Sastāda 5% no šūnu RNS. Kalpo ģenētiskās informācijas pārnešanai no DNS uz ribosomām proteīnu biosintēzes laikā. Eikariotu šūnās mRNS (mRNS) stabilizē specifiski proteīni. Tas ļauj proteīnu biosintēzei turpināties pat tad, ja kodols ir neaktīvs.
2. Ribosomāla vai ribosomāla RNS (rRNS). Sastāda 85% no šūnu RNS. Tā ir daļa no ribosomām, nosaka lielo un mazo ribosomu apakšvienību formu un nodrošina ribosomas kontaktu ar cita veida RNS.
3. Pārnest RNS (tRNS). Sastāda 10% no šūnu RNS. Transportē aminoskābes uz atbilstošo mRNS vietu ribosomās. Katrs tRNS veids transportē noteiktu aminoskābi.
Šūnās ir arī citi RNS veidi, kas veic palīgfunkcijas.
Visu veidu RNS veidojas šablonu sintēzes reakciju rezultātā. Vairumā gadījumu viena no DNS virknēm kalpo kā veidne. Tādējādi RNS sintēze uz DNS veidnes ir šablona tipa heterokatalītiska reakcija. Šo procesu sauc par transkripciju, un to kontrolē noteikti fermenti – RNS polimerāzes (transkriptāzes).
19. Sinerģētika radās kā mēģinājums atrast alternatīvas esošajām attīstības koncepcijām, kuras ir izsmēlušas savas spējas, izskaidrojot sarežģītu sistēmu rašanos un attīstību.
Sākotnējā sinerģētikas koncepcija ir haosa jēdziens. Haoss tradicionāli tiek uzskatīts par destruktīvu principu, kas ir jāpasūta. Synergetics uzskata, ka haosā slēpjas attīstības avots, kas var novest pie konstruktīviem rezultātiem.
Sinerģētika atšķirībā no citām attīstības koncepcijām atgriež nejaušības jēdzienu teorijas lokā un reabilitē to. Ja dialektiskajā jēdzienā un klasiskajā evolucionismā nejaušība tika uzskatīta par sekundāru un nesvarīgu faktoru, kas laika gaitā tika aizmirsts un izdzēsts, tad sinerģētika nejaušību paaugstina līdz nepieciešamības līmenim.
Sinerģētika arī pasludina tādus apstākļus kā nestabilitāte un līdzsvara traucējumi par normālu un dabisku stāvokli.
Klasiskie jēdzieni attīstību saprot kā progresīvu un neapstrīdamu kustību. Attīstība ir pakļauta striktam cēloņsakarības likumam. Izmantojot cēloņsakarības ķēdes, attīstības gaitu var aprēķināt gan pagātnē, gan nākotnē. Attīstība ir retroaktīva un paredzama. Tagadni nosaka pagātne, bet nākotni - tagadne.
Taču viens no vadošajiem sinerģētikas jomas teorētiķiem I. Prigožins pamato nostāju, ka nestabilitātes ideja būtiski izspiež determinisma ideju. Tas ļāva iekļaut cilvēka darbību dabaszinātņu redzeslokā. Un tādi jēdzieni kā nestabilitāte un neparedzamība sāka spēlēt nozīmīgu lomu, lai pārvarētu nevienotību, kas vienmēr pastāvējusi starp sociālajām zinātnēm un dabaszinātnēm.
Nestabilitātes ideja nozīmē, ka daudzu sistēmu trajektorijas ir nestabilas un mēs nevaram paredzēt to attīstību ilgā laika periodā. I. Prigožins šos intervālus sauc par “temporāliem eksponenciāliem” un saka, ka pēc pārejas uz jaunu intervālu informācija par iepriekšējo var pazust. Mūsu zināšanas ir tikai neliels logs Visumā, un pasaules nestabilitātes dēļ mums vajadzētu atteikties pat no sapņa par visaptverošām zināšanām. Skatoties caur šo logu, mēs, protams, varam ekstrapolēt esošās zināšanas ārpus mūsu redzējuma robežām un spekulēt par to, kāds varētu būt mehānisms, kas kontrolē Visuma dinamiku, bet nekas vairāk.
Tradicionālajā nosacītības pasaules ainā riska nav, jo notikumu gaita ir vienvarianta un paredzama. Sinerģētika postulē daudzveidīgu pasaules redzējumu, kas atklāj cilvēcei izvēles iespēju ar zināmu atbildību par šo izvēli. Sinerģētikas pamatidejas:
“No haosa var rasties jauna strukturāli organizēta noteiktība ar jaunu tās attīstības vektoru; ¦sarežģīti organizētas un pašorganizējošas sistēmas nevar attīstīties pēc stingri noteiktiem likumiem, jo tajās lielu lomu spēlē spontanitātes un nejaušības momenti; pasludinot sevi “bifurkācijas” punktā. Sarežģītām sistēmām ir vairāki alternatīvi attīstības ceļi. Evolūcijas ceļš nav vienīgais;
Sinerģētika ir gan metode, gan zinātne par sarežģītu sistēmu pārvaldību. Šīs kontroles galvenā svira nav spēks, bet pareizais virziens, ietekmes uz sarežģītu vidi “arhitektūra”.
Aplūkotie attīstības problēmas dažādie aspekti dod pamatu apgalvot, ka attīstība ir īpašs pārmaiņu veids, pateicoties kuram mēs esam ieguvuši pasauli, kurā dzīvojam. Dabas un sociālo parādību daudzveidība sākotnēji netika dota, bet parādījās noteikta sākotnējā sugu un formu daudzuma attīstības rezultātā. Tāpēc nav iespējams izprast pasauli ārpus attīstības konteksta, bet pats attīstības process kļūst arvien sarežģītāks un sarežģītāks, un to ir gandrīz neiespējami izskaidrot, balstoties uz kādu vienu teorētisku modeli.
Mūsdienu biologi un antropologi, kā mēs jau atzīmējām, uzskata, ka cilvēka kā sugas bioloģiskā evolūcija, tas ir, viņa veidošanās, ir beigusies kopš Homo sapiens parādīšanās. Šajā sakarā rodas jautājums par cilvēka kā bioloģiskas sugas attīstības nākotnes virzieniem. Atbildot uz šo jautājumu, dažkārt izskan viedoklis, ka genoma degradācijas (ģenētiskās attīstības programma) dēļ pamazām izmirs visas dzīvnieku un augu sugas. Pēc lielākās daļas zinātnieku domām, galvenais apdraudējums šajā gadījumā ir nevis sugu novecošanās, bet gan pieaugošais biosfēras piesārņojums ar dažāda veida atkritumiem.
Pateicoties savām cilts īpašībām, cilvēkam ir jācīnās ar dabu. Bet uzvarētāju šajā cīņā nevar būt, jo cilvēks ir daļa no biosfēras un, iznīcinot dabu, cilvēks iznīcina pats sevi, to nemanot, tāpat kā nepamana radioaktīvo starojumu.
Visas šīs problēmas ir svarīgas pirmām kārtām tāpēc, ka vesels cilvēks ir brīvs savā rīcībā, materiālo un garīgo vajadzību apmierināšanā (to iespēju ietvaros, ko sabiedrība viņam sniedz). Slimība ierobežo cilvēka brīvību, pievienojot sociālajiem ierobežojumiem cilvēka rīcībai viņa paša ķermeņa ietvaru. Tāpēc cilvēka attieksme pret savu ķermeni nevar būt vienkārši attieksme pret kādu dabisku, dabisku objektivitāti - cilvēks sastopas ar nepieciešamību, tās valodu un spēku. Un šis spēks, kas iespiests cilvēka ķermeņa struktūrā, ir īpaši nežēlīgs un obligāts. Teju katram cilvēkam bija iespēja par to pārliecināties – tikai jāatceras absolūtas bezpalīdzības sajūta, kas pārņem cilvēku visai smagas slimības brīžos.
Var teikt, ka fiziskums darbojas kā dzīves plūsma, kā cilvēka dzīves aktivitāte kopumā. Un ķermenis ir statisks fiziskuma aspekts, no kura cilvēks nekad nevar atbrīvoties, kamēr viņš dzīvo. Galu galā pēc ieņemšanas cilvēks pret savu gribu tiek iemests dzīves straumē. Arī nāves brīdis pienāk pēc kārtas, neatkarīgi no cilvēka vēlmēm. Katrs ar vecumu saistītu izmaiņu posms liek cilvēkam nonākt jaunā dzīves situācijā.
Tādējādi kļūst acīmredzams, ka ķermeņa problēmas, cilvēka ķermeņa funkcionēšana ir svarīga pasaules attēla sastāvdaļa, kā arī medicīnas priekšmets - zinātne, kas pēta cilvēku slimību cēloņus, to attīstības modeļus. , to atpazīšanas un ārstēšanas metodes, kā arī iedzīvotāju medicīniskās palīdzības optimālas organizācijas formas .
Protams, medicīna ne vienmēr ir bijusi zinātne, taču tā vienmēr ir pastāvējusi kā cilvēka kultūras sastāvdaļa, kas risina cilvēku veselības problēmas. Būdama daļa no noteiktas tautas un noteikta laikmeta kultūras, medicīna dažādos laikos dažādos veidos skaidroja slimību cēloņus un ieteica dažādas ārstēšanas metodes.
Arī psihoemocionālās adaptācijas aparāts tiek pārstrukturēts. Šeit īpašu iegūst mūsdienu ražošanas un ikdienas dzīves motorizācija, dzīves piesātinājums ar tehnoloģijām, troksnis, dzīves ritmu paātrināšanās, straujš starppersonu kontaktu skaita pieaugums, bieži vien ar negatīvu, patogēnu psihoemocionālo lādiņu. nozīmi.
Visi iepriekš minētie faktori galu galā tieši nosaka slimību attīstību, to smaguma izmaiņas, simptomus un komplikāciju raksturu, noved pie veco slimību izzušanas un jaunu rašanās, kā arī krasi maina saslimstības raksturu. Pašlaik plaši izplatītas ir slimības, kuru rašanās procesā liela nozīme ir psihoemocionālajiem faktoriem. Mūsdienu cilvēka dzīves pieaugošā socializācija ietekmē viņa somatisko (ķermeņa) patoloģiju. Tādi faktori kā profesija, cilvēka attieksme pret darbu, ražošanas komandas atmosfēra būtiski ietekmē viņa somatisko un garīgo veselību.
Dažādos sabiedrības sociālā un ekonomiskā brieduma posmos prasības neiropsihisko, muskuļu un fizisko izmaksu līmenim nav vienādas. Zinātniskās un tehnoloģiskās revolūcijas apstākļos prasības pret cilvēka neiropsihiskajiem mehānismiem arvien pieaug.
Pārejot no viena sociālās attīstības posma uz otru, cilvēku psihoemocionālās attiecības kļūst arvien sarežģītākas. Visi emocionālās saiknes kanāli tagad ir piepildīti līdz galam un dažreiz pārslogoti. Cilvēka nervu sistēma tiek pakļauta pastāvīgai, arvien pieaugošai emocionālai un garīgai “bombardēšanai”, sākot no veselīgām, tonizējošām un beidzot ar negatīvām, pat patogēnām emocijām. Dzīves temps palielinās, tehnoloģiju novecošana saīsinās, dažas profesijas noveco, zinātnes, tehnikas, kultūras u.c. attīstība. Tas viss izvirza jaunas, paaugstinātas prasības cilvēka iekšējiem resursiem, kuru svarīga sastāvdaļa ir garīgā veselība un emocionālais līdzsvars.
Ja mūsdienu sociālās attīstības posmam raksturīgs dzīves tempa paātrinājums visās sfērās, tad ķermeņa psihofizioloģisko un somatisko reakciju ātrums bieži izrādās pārāk lēns, atpaliek no sociālās un industriālās dzīves ritmiem. , un sociāli bioloģiskā aritmija rodas kā vispārējs priekšnoteikums daudzu slimību rašanās gadījumam.
Tāpēc ir likumsakarīgi, ka valsts iedzīvotāju veselība ar katru gadu pasliktinās. Pēdējos gados, piemēram, 70 procentiem mūsdienu sieviešu ir veselības problēmas. Jaundzimušo īpatsvars ar fiziskiem un neiroloģiskiem traucējumiem pieaudzis līdz 20 procentiem. Svarīgākais sabiedrības veselības un sabiedrības sociālās labklājības rādītājs ir zīdaiņu mirstības līmenis. Krievijā šis rādītājs pēdējo 5 gadu laikā ir pieaudzis par 15 procentiem.
Ne mazāk nomācoši ir rādītāji par dažu vides komponentu ietekmi uz cilvēka veselību. Tādējādi ir droši zināms, ka gaisa piesārņojums izraisa elpošanas sistēmas, asinsrites, gremošanas u.c. slimības. Turklāt tas ir vissvarīgākais iemesls mutāciju uzkrāšanai organismā, kas ietekmē cilvēka genotipu.
Apmēram 85 procentus slimību izraisa un pārnēsā ūdens. Slimību cēlonis galvenokārt ir slikta ūdens kvalitāte, kas satur dažādus toksiskus smago metālu savienojumus, kaitīgus organiskos piemaisījumus un baktērijas. Jo lielāks ūdens piesātinājums ar sāļiem, jo lielāks risks saslimt ar aterosklerozi, insultu, infarktu utt. Hlors ļoti kaitē mūsu veselībai. Lai gan ūdens hlorēšana pasargā no infekcijām, tā atvasinājumi lēnām un noteikti grauj veselību, jo tiem ir kancerogēna mutagēna iedarbība. Tās var ietekmēt iedzimtību, daudzas no tām ir spēcīgas aknu indes utt.
Saistībā ar vides transformāciju paātrināšanos un to pieaugošo ietekmi uz sabiedrības veselību īpaši svarīga ir biosfēras un cilvēka veselības sociāli ģenētisko problēmu izpēte.
Nukleīnskābes– fosforu saturoši dzīvo organismu biopolimēri, nodrošinot pārmantojamās informācijas uzglabāšanu un nodošanu. Tos 1869. gadā atklāja Šveices ķīmiķis F. Mišers leikocītu kodolos. Pēc tam nukleīnskābes tika atrastas visās augu un dzīvnieku šūnās, baktērijās, vīrusos un sēnēs.
Dabā ir divu veidu nukleīnskābes - dezoksiribonukleīnskābe (DNS) un ribonukleīnskābe (RNS).Atšķirību nosaukumos izskaidro fakts, ka DNS molekula satur piecu oglekļa cukuru dezoksiribozi, bet RNS molekula satur ribozi. . Pašlaik ir zināms liels skaits DNS un RNS šķirņu, kas atšķiras viena no otras. Pēc struktūras un nozīmes vielmaiņā.
DNS lokalizējas galvenokārt šūnas kodola hromosomās (99% no visas šūnas DNS), kā arī mitohondrijās un hloroplastos. RNS papildus kodolam ir daļa no ribosomām, citoplazmas, plastidiem un mitohondrijiem.
Nukleīnskābes ir sarežģīti biopolimēri, kuru monomēri ir nukleotīdi. Katrs nukleotīds satur piecu oglekļa cukuru (ribozi vai dezoksiribozi), slāpekļa bāzi un fosforskābes atlikumu.
Ir piecas galvenās slāpekļa bāzes: adenīns, guanīns, uracils, timīns un citozīns. Pirmie divi ir purīns – to molekulas sastāv no diviem savstarpēji saistītiem gredzeniem. Nākamie trīs ir pirimidīni, un tiem ir viens sešu locekļu gredzens.
Nukleotīdu nosaukumi nāk no atbilstošo slāpekļa bāzu nosaukumiem; abi ir apzīmēti ar lielajiem burtiem: adenīns - adenilāts (A), guanīns - guanilāts (G), citozīns - cititilāts (C), uracils - uridilāts (U), timīns - deoksitimilāts (T).
Nukleotīdu skaits nukleīnskābes molekulā ir atšķirīgs – no 80 pārneses RNS molekulās līdz vairākiem desmitiem miljonu DNS.
DNS molekula ir divpavedienu spirāle, kas savīta ap savu asi.
Polinukleotīdu ķēdē blakus esošie nukleotīdi ir savienoti viens ar otru ar kovalentām saitēm, kas veidojas starp viena nukleotīda fosfātu grupu un cita nukleotīda pentozes 3'-spirta grupu. Šādas saites sauc par fosfodiestera saitēm. Fosfātu grupa veido tiltu starp viena pentozes gredzena 3' oglekli un nākamā gredzena 5' oglekli.
Tādējādi DNS ķēžu mugurkaulu veido cukura fosfāta atliekas.
DNS polinukleotīdu ķēde ir savīti spirāles veidā, kas atgādina spirālveida kāpnes, un ir savienota ar citu ķēdi, kas to papildina, izmantojot ūdeņraža saites, kas veidojas starp adenīnu un timīnu (divas saites), kā arī guanīnu un citozīnu ( trīs obligācijas). Nukleotīdus A un T, G un C sauc par komplementāriem. Rezultātā jebkurā organismā adenilnukleotīdu skaits ir vienāds ar timidilnukleotīdu skaitu, un guanilnukleotīdu skaits ir vienāds ar citidilnukleotīdu skaitu. Šo modeli sauc par "Chargaff likumu". Pateicoties šai īpašībai, nukleotīdu secība vienā ķēdē nosaka to secību otrā. Šo spēju selektīvi apvienot nukleotīdus sauc komplementaritāte, un šī īpašība ir pamatā jaunu DNS molekulu veidošanai, pamatojoties uz sākotnējo molekulu.
DNS molekulā ķēdes ir vērstas pretēji, t.i., ja vienai ķēdei ir virziens no 3’ gala uz 5’ galu, tad otrā ķēdē 3’ gals atbilst 5’ galam un otrādi. Šo DNS spoles īpašību sauc antiparalēlisms.
DNS molekulas divpavedienu modeli pirmo reizi 1953. gadā ierosināja amerikāņu zinātnieks J. Vatsons un anglis F. Kriks. Viņš apvienoja E. Čargafa datus par DNS molekulu purīna un pirimidīna bāzu attiecību un M. Vilkinsa un R. Franklina iegūtos rentgenstaru difrakcijas analīzes rezultātus. Par DNS molekulas divpavedienu modeļa izstrādi Vatsonam, Krikam un Vilkinsam 1962. gadā tika piešķirta Nobela prēmija.
DNS ir lielākā bioloģiskā molekula. To garums svārstās no 0,25 mm - dažām baktērijām - līdz 40 mm - cilvēkiem. Tas ir ievērojami lielāks nekā lielākā proteīna molekula, kas izlocītā veidā sasniedz ne vairāk kā 100-200 nm. DNS molekulas masa ir 6 ∙ 10 -12 g.
DNS molekulas diametrs ir 2 nm, spirāles solis ir 3,4 nm; Katrs spirāles pagrieziens satur 10 nukleotīdu pārus. Spirālveida struktūru uztur daudzas ūdeņraža saites, kas rodas starp komplementārām slāpekļa bāzēm un hidrofobām mijiedarbībām. Eikariotu organismu DNS molekulas ir lineāras. Prokariotos DNS, gluži pretēji, ir noslēgta gredzenā, un tai nav ne 3’, ne 5’ galu.
Tāpat kā olbaltumvielas, mainoties apstākļiem, DNS var tikt pakļauta denaturācija, ko sauc par kausēšanu. Pakāpeniski atgriežoties normālos apstākļos, DNS renaturējas.
DNS funkcijas. DNS funkcija ir ģenētiskās informācijas uzglabāšana, pārraide un reproducēšana paaudžu garumā. Jebkuras šūnas DNS kodē informāciju par visām konkrētā organisma olbaltumvielām, par to, kuras olbaltumvielas tiks sintezētas un kādā secībā.
RNS molekulu struktūra daudzējādā ziņā ir līdzīga DNS molekulu struktūrai. Tomēr ir vairākas būtiskas atšķirības. RNS molekulā dezoksiribozes vietā nukleotīdi satur ribozi. Timidilnukleotīda (T) vietā ir iekļauts uridilnukleotīds (U). Galvenā atšķirība no DNS ir tā, ka RNS molekula ir viena virkne. Tomēr tā nukleotīdi spēj veidot ūdeņraža saites savā starpā (piemēram, tRNS, rRNS molekulās), bet šajā gadījumā mēs runājam par komplementāru nukleotīdu ķēdes savienojumu.
RNS ķēdes ir daudz īsākas nekā DNS.
RNS veidi
Šūnā ir vairāki RNS veidi, kas atšķiras pēc molekulārā izmēra, struktūras, atrašanās vietas šūnā un funkcijām.
Messenger RNS – mRNS– pēc izmēra un struktūras visneviendabīgākais. mRNS ir atvērta polinukleotīdu ķēde. Tas tiek sintezēts kodolā, piedaloties enzīmam RNS polimerāzei saskaņā ar komplementaritātes principu ar DNS reģionu, kas ir atbildīgs par šī proteīna kodēšanu. mRNS veic būtisku funkciju šūnā. Tas kalpo kā veidne proteīnu sintēzei, pārraidot informāciju par to struktūru no DNS molekulām. Katru šūnu proteīnu kodē tā specifiskā mRNS.
Ribosomu RNS–rRNS. Tās ir vienpavedienu nukleīnskābes, kas kombinācijā ar olbaltumvielām veido ribosomas – organellus, uz kurām notiek proteīnu sintēze. Informācija par rRNS struktūru ir kodēta DNS sekcijās, kas atrodas hromosomu sekundārās sašaurināšanās reģionā. rRNS veido 80% no kopējās RNS šūnā, jo šūnas satur lielu skaitu ribosomu. rRNS ir sarežģīta sekundārā un terciārā struktūra, veidojot cilpas komplementārajos reģionos, kas noved pie šo molekulu pašorganizēšanās sarežģītas formas ķermenī. Ribosomas satur 3 veidu rRNS prokariotos un 4 veidu rRNS eikariotos.
Transporta (pārneses) RNS - tRNS. tRNS molekula sastāv vidēji no 80 nukleotīdiem. tRNS saturs šūnā ir aptuveni 15% no visas RNS. tRNS funkcija ir transportēt aminoskābes uz olbaltumvielu sintēzes vietu un piedalīties translācijas procesā. Dažādu veidu tRNS skaits šūnā ir neliels (apmēram 40). Viņiem visiem ir līdzīga telpiskā organizācija. Pateicoties intrastrand ūdeņraža saitēm, tRNS molekula iegūst raksturīgu sekundāro struktūru, ko sauc āboliņa lapa.
tRNS trīsdimensiju modelis izskatās nedaudz atšķirīgs. tRNS ir četras cilpas: akceptora cilpa (kalpo kā vieta aminoskābju pievienošanai), antikodona cilpa (atpazīst kodonu mRNS translācijas laikā) un divas sānu cilpas.
Dzīvā organismā ir trīs galvenās makromolekulas: olbaltumvielas un divu veidu nukleīnskābes. Pateicoties tiem, tiek uzturēta visa organisma dzīvībai svarīgā darbība un pareiza darbība. Kas ir nukleīnskābes? Kāpēc tie ir vajadzīgi? Vairāk par to vēlāk rakstā.
Galvenā informācija
Nukleīnskābe ir biopolimērs, organisks savienojums ar augstu molekularitāti, ko veido nukleotīdu atliekas. Visas ģenētiskās informācijas nodošana no paaudzes paaudzē ir galvenais nukleīnskābju uzdevums. Tālāk sniegtajā prezentācijā šis jēdziens tiks izskaidrots sīkāk.
Pētījuma vēsture
Pirmais pētītais nukleotīds tika izolēts no liellopu muskuļiem 1847. gadā un nosaukts par "inozīnskābi". Ķīmiskās struktūras izpētes rezultātā atklājās, ka tas ir ribosīds-5′-fosfāts un satur N-glikozīdu saiti.1868.gadā tika atklāta viela ar nosaukumu “nukleīns”. To atklāja Šveices ķīmiķis Frīdrihs Mišers, veicot pētījumus par dažām bioloģiskām vielām. Šī viela ietvēra fosforu. Savienojumam bija skābas īpašības, un tas nebija pakļauts sadalīšanai proteolītisko enzīmu ietekmē.
Viela saņēma formulu C29H49N9O22P3. Pieņēmums par nukleīna līdzdalību iedzimtas informācijas pārraides procesā tika izvirzīts, atklājot tās ķīmiskā sastāva līdzību ar hromatīnu. Šis elements ir galvenā hromosomu sastāvdaļa. Terminu “nukleīnskābe” pirmo reizi 1889. gadā ieviesa Ričards Altmans. Tieši viņš kļuva par metodes autoru šo vielu iegūšanai bez proteīnu piemaisījumiem.Pētot nukleīnskābju sārmainu hidrolīzi, Levins un Džeikobs identificēja šī procesa produktu galvenās sastāvdaļas. Tie izrādījās nukleotīdi un nukleozīdi. 1921. gadā Levins ierosināja, ka DNS ir tetranukleotīda struktūra. Tomēr šī hipotēze neapstiprinājās un izrādījās kļūdaina.
Klasifikācija
Nukleīnskābes ir divu veidu: DNS un RNS. To klātbūtne ir atrodama visu dzīvo organismu šūnās. DNS galvenokārt atrodas šūnas kodolā. RNS atrodas citoplazmā. 1935. gadā DNS mīkstās fragmentācijas laikā tika iegūti 4 DNS veidojošie nukleotīdi. Šīs sastāvdaļas ir kristāliskā stāvoklī. 1953. gadā Votstons un Kriks noteica, ka DNS ir dubultā spirāle.
Atlases metodes
Ir izstrādātas dažādas metodes savienojumu iegūšanai no dabīgiem avotiem. Šo metožu galvenie nosacījumi ir efektīva nukleīnskābju un olbaltumvielu atdalīšana, procesa laikā iegūto vielu mazākā sadrumstalotība. Mūsdienās plaši tiek izmantota klasiskā metode. Šīs metodes būtība ir bioloģiskā materiāla sieniņu iznīcināšana un to turpmākā apstrāde ar anjonu mazgāšanas līdzekli. Rezultātā veidojas olbaltumvielu nogulsnes, bet nukleīnskābes paliek šķīdumā. Tiek izmantota arī cita metode. Šajā gadījumā nukleīnskābes var nogulsnēt gēla stāvoklī, izmantojot etanolu un fizioloģisko šķīdumu. To darot, jāievēro zināma piesardzība. Jo īpaši sāls šķīdumam ļoti rūpīgi jāpievieno etanols, lai iegūtu želejas nogulsnes. Kādā koncentrācijā nukleīnskābe izdalās, kādi piemaisījumi tajā atrodas, var noteikt ar spektrofotometrisko metodi. Nukleīnskābes viegli noārda nukleāzes, kas ir īpaša enzīmu klase. Ar šādu izolāciju ir nepieciešams, lai laboratorijas aprīkojums būtu obligāti jāapstrādā ar inhibitoriem. Tajos ietilpst, piemēram, DEPC inhibitors, ko izmanto RNS izolācijā.
Fizikālās īpašības
Nukleīnskābēm ir laba šķīdība ūdenī, bet tās gandrīz nešķīst organiskajos savienojumos. Turklāt tie ir īpaši jutīgi pret temperatūru un pH līmeni. Nukleīnskābju molekulas ar lielu molekulmasu mehānisku spēku ietekmē var sadrumstalot ar nukleāzi. Tie ietver šķīduma sajaukšanu un kratīšanu.
Nukleīnskābes. Struktūra un funkcijas
Attiecīgo savienojumu polimēru un monomēru formas ir atrodamas šūnās. Polimēru formas sauc par polinukleotīdiem. Šajā formā nukleotīdu ķēdes ir saistītas ar fosforskābes atlikumu. Sakarā ar divu veidu heterociklisko molekulu, ko sauc par ribozi un dezoksiribozi, saturu, skābes ir attiecīgi ribonukleīnskābes un dezoksiribonukleīnskābes. Ar viņu palīdzību notiek iedzimtās informācijas glabāšana, pārsūtīšana un ieviešana. No nukleīnskābju monomēra formām vispopulārākā ir adenozīntrifosforskābe. Tas ir iesaistīts signalizācijā un enerģijas rezervju nodrošināšanā šūnā.
DNS
Dezoksiribonukleīnskābe ir makromolekula. Ar tās palīdzību notiek ģenētiskās informācijas nodošanas un ieviešanas process. Šī informācija ir nepieciešama dzīva organisma attīstībai un funkcionēšanai. Dzīvniekiem, augiem un sēnēm DNS ir daļa no hromosomām, kas atrodas šūnas kodolā, un tā ir atrodama arī mitohondrijās un plastidos. Baktērijās un arhejās dezoksiribonukleīnskābes molekula pieķeras šūnu membrānai no iekšpuses. Šādos organismos galvenokārt ir cirkulāras DNS molekulas. Tos sauc par "plazmīdām". Pēc ķīmiskās struktūras dezoksiribonukleīnskābe ir polimēra molekula, kas sastāv no nukleotīdiem. Šīs sastāvdaļas savukārt satur slāpekļa bāzi, cukuru un fosfātu grupu. Pateicoties pēdējiem diviem elementiem, starp nukleotīdiem veidojas saite, veidojot ķēdes. Būtībā DNS makromolekula tiek parādīta divu ķēžu spirāles formā.
RNS
Ribonukleīnskābe ir gara ķēde, kas sastāv no nukleotīdiem. Tie satur slāpekļa bāzi, ribozes cukuru un fosfātu grupu. Ģenētiskā informācija tiek kodēta, izmantojot nukleotīdu secību. RNS tiek izmantota olbaltumvielu sintēzes programmēšanai. Ribonukleīnskābe veidojas transkripcijas laikā. Šis ir RNS sintēzes process uz DNS veidnes. Tas notiek, piedaloties īpašiem fermentiem. Tos sauc par RNS polimerāzēm. Pēc tam matricas ribonukleīnskābes piedalās tulkošanas procesā. Tādā veidā proteīnu sintēze notiek uz RNS matricas. Ribosomas aktīvi piedalās šajā procesā. Atlikušās RNS tiek pakļautas ķīmiskām transformācijām, lai pabeigtu transkripciju. Notiekošo izmaiņu rezultātā veidojas ribonukleīnskābes sekundārās un terciārās struktūras. Tie darbojas atkarībā no RNS veida.
