Acizii nucleici și compoziția lor. Proprietățile chimice ale acizilor nucleici

ACIZI NUCLEICI
biopolimeri formați din reziduuri de acid fosforic, zaharuri și baze azotate (purine și pirimidine). Au o semnificație biologică fundamentală, deoarece conțin în formă codificată toată informația genetică a oricărui organism viu, de la oameni la bacterii și viruși, transmise de la o generație la alta. Acizii nucleici au fost izolați pentru prima dată din celulele de puroi umane și din sperma de somon de către medicul și biochimistul elvețian F. Miescher între 1869 și 1871. Ulterior s-a stabilit că există două tipuri de acizi nucleici: acidul ribonucleic (ARN) și acidul dezoxiribonucleic (ADN) , dar funcțiile lor au rămas mult timp necunoscute. În 1928, bacteriologul englez F. Griffith a descoperit că pneumococii patogeni uciși pot modifica proprietățile genetice ale pneumococilor vii nepatogeni, transformându-i pe aceștia din urmă în patogeni. În 1945, microbiologul O. Avery de la Institutul Rockefeller din New York a făcut o descoperire importantă: a arătat că capacitatea de transformare genetică se datorează transferului ADN-ului de la o celulă la alta și, prin urmare, materialul genetic este ADN-ul. În 1940-1950, J. Beadle și E. Tatum de la Universitatea Stanford (California) au descoperit că sinteza proteinelor, în special a enzimelor, este controlată de gene specifice. În 1942, T. Kasperson în Suedia și J. Brachet în Belgia au descoperit că acizii nucleici sunt deosebit de abundenți în celulele care sintetizează activ proteine. Toate aceste date au sugerat că materialul genetic este acid nucleic și că acesta este într-un fel implicat în sinteza proteinelor. Cu toate acestea, la acea vreme, mulți credeau că moleculele de acid nucleic, în ciuda lungimii lor mari, aveau o structură prea simplă care se repetă periodic pentru a transporta suficientă informație pentru a servi drept material genetic. Dar la sfârșitul anilor 1940, E. Chargaff în SUA și J. Wyatt în Canada, folosind metoda cromatografiei de partiție pe hârtie, au arătat că structura ADN-ului nu este atât de simplă și această moleculă poate servi ca purtător de informații genetice.

Structura ADN-ului a fost stabilită în 1953 de M. Wilkins, J. Watson și F. Crick în Anglia. Această descoperire fundamentală a făcut posibilă înțelegerea modului în care are loc dublarea (replicarea) acizilor nucleici. La scurt timp după aceasta, cercetătorii americani A. Downs și J. Gamow au sugerat că structura proteinelor este oarecum codificată în acizi nucleici, iar până în 1965 această ipoteză a fost confirmată de mulți cercetători: F. Crick în Anglia, M. Nirenberg și S. Ochoa în SUA, H. Coran în India. Toate aceste descoperiri, rezultatul unui secol de studiere a acizilor nucleici, au produs o adevărată revoluție în biologie. Ei au făcut posibilă explicarea fenomenului vieții în cadrul interacțiunii dintre atomi și molecule.
Tipuri și distribuție. După cum am spus deja, există două tipuri de acizi nucleici: ADN și ARN. ADN-ul este prezent în nucleele tuturor celulelor vegetale și animale, unde este complexat cu proteine ​​și este parte integrantă a cromozomilor. La indivizii fiecărei specii specifice, conținutul de ADN nuclear este de obicei același în toate celulele, cu excepția gameților (ouă și spermatozoizi), unde ADN-ul este la jumătate. Astfel, cantitatea de ADN celular este specifică speciei. ADN-ul se găsește și în afara nucleului: în mitocondrii („stațiile energetice” ale celulelor) și în cloroplaste (particule în care are loc fotosinteza în celulele vegetale). Aceste particule subcelulare au o oarecare autonomie genetică. Bacteriile și cianobacteriile (alge albastre-verzi) conțin în loc de cromozomi una sau două molecule mari de ADN asociate cu o cantitate mică de proteine ​​și adesea molecule de ADN mai mici numite plasmide. Plasmidele poartă informații genetice utile, de exemplu, conțin gene pentru rezistența la antibiotice, dar nu sunt esențiale pentru viața celulei în sine. O anumită cantitate de ARN este prezentă în nucleul celulei, dar cea mai mare parte a acesteia se află în citoplasmă - conținutul lichid al celulei. Cea mai mare parte este ARN ribozomal (ARNr). Ribozomii sunt cele mai mici corpuri pe care are loc sinteza proteinelor. O cantitate mică de ARN este reprezentată de ARN de transfer (ARNt), care este, de asemenea, implicat în sinteza proteinelor. Cu toate acestea, ambele clase de ARN nu poartă informații despre structura proteinelor - astfel de informații sunt conținute în matrice, sau informații, ARN (ARNm), care reprezintă doar o mică parte din ARN-ul celular total. Materialul genetic al virusurilor este fie ADN, fie ARN, dar niciodată ambele în același timp.
PROPRIETĂȚI GENERALE
Moleculele de acid nucleic conțin multe grupări fosfat încărcate negativ și formează complexe cu ionii metalici; sărurile lor de potasiu și sodiu sunt foarte solubile în apă. Soluțiile concentrate de acizi nucleici sunt foarte vâscoase și ușor opalescente, iar în formă solidă aceste substanțe sunt albe. Acizii nucleici absorb puternic lumina ultravioletă, iar această proprietate stă la baza determinării concentrației lor. Efectul mutagen al luminii ultraviolete este, de asemenea, asociat cu această proprietate. Moleculele lungi de ADN sunt fragile și se rup ușor, de exemplu atunci când forțează o soluție printr-o seringă. Prin urmare, lucrul cu ADN cu greutate moleculară mare necesită o atenție specială.
Structura chimică. Acizii nucleici sunt lanțuri lungi formate din patru unități care se repetă (nucleotide). Structura lor poate fi reprezentată după cum urmează:

Simbolul F reprezintă o grupare fosfat. Resturile alternative de zahăr și acid fosforic formează coloana vertebrală zahăr-fosfat a moleculei, care este aceeași pentru tot ADN-ul, iar diversitatea lor enormă se datorează faptului că cele patru baze azotate pot fi localizate de-a lungul lanțului în secvențe foarte diferite. Zahărul din acizii nucleici este pentoză; patru dintre cei cinci atomi de carbon ai săi, împreună cu un atom de oxigen, formează un inel. Atomii de carbon ai pentozei sunt desemnați prin numere de la 1" la 5". În ARN, zahărul este reprezentat de riboză, iar în ADN, este deoxiriboză, care conține un atom de oxigen mai puțin. Fragmente de lanțuri de polinucleotide ADN și ARN sunt prezentate în figură.

Legăturile de hidrogen care leagă bazele lanțurilor opuse sunt clasificate ca slabe, dar datorită abundenței lor în molecula de ADN, stabilizează ferm structura acesteia. Cu toate acestea, dacă o soluție de ADN este încălzită la aproximativ 60 ° C, aceste legături sunt rupte și lanțurile diverg - are loc denaturarea (topirea) ADN-ului. Ambele fire de ADN sunt răsucite într-o spirală în jurul unei axe imaginare, ca și cum ar fi înfășurate pe un cilindru. Această structură se numește dublu helix. Există zece perechi de baze pentru fiecare rotație a helixului.

ADN dublu helix. Structura ADN-ului seamănă cu o scară în spirală. Părțile sale sunt compuse din reziduuri de zahăr alternante și grupe fosfat; Fiecare reziduu de zahăr dintr-un perete lateral este legat de partenerul său din celălalt printr-o „bară transversală” constând dintr-o purină (adenină sau guanină) și o pirimidină (citozină sau timină), cu adenina conectându-se doar la timină și guanină la citozină.

Corespondența dintre A"T și G"C se numește regula complementarității, iar lanțurile în sine sunt numite complementare. Conform acestei reguli, conținutul de adenină din ADN este întotdeauna egal cu conținutul de timină, iar cantitatea de guanină este întotdeauna egală cu cantitatea de citozină. Trebuie remarcat faptul că două catene de ADN, deși diferite din punct de vedere chimic, poartă aceeași informație, deoarece, datorită complementarității, o catenă o specifică în mod unic pe cealaltă. Structura ARN-ului este mai puțin ordonată. Este de obicei o moleculă monocatenară, deși ARN-ul unor virusuri este format din două catene. Dar chiar și un astfel de ARN este mai flexibil decât ADN-ul. Unele regiuni din molecula de ARN sunt reciproc complementare și, atunci când catena este îndoită, se împerechează pentru a forma structuri dublu catenare (agrafe de păr). Acest lucru se aplică în primul rând ARN-urilor de transfer (ARNt). Unele baze din ARNt suferă modificări după ce molecula este sintetizată. De exemplu, uneori li se adaugă grupări metil.
FUNCȚIA ACIZILOR NUCLEICI
Una dintre funcțiile principale ale acizilor nucleici este de a determina sinteza proteinelor. Informațiile despre structura proteinelor codificate în secvența de nucleotide a ADN-ului trebuie transmise de la o generație la alta și, prin urmare, este necesară copierea fără erori a acesteia, de exemplu. sinteza exact aceleiași molecule de ADN (replicare).
Replicare și transcriere. Din punct de vedere chimic, sinteza acidului nucleic este polimerizare, adică. conexiunea secvenţială a blocurilor de construcţie. Nucleozidii trifosfați servesc ca astfel de blocuri; reacția poate fi reprezentată astfel:

Energia necesară sintezei este eliberată atunci când pirofosfatul este îndepărtat, iar reacția este catalizată de enzime speciale - ADN polimeraze. Ca rezultat al unui astfel de proces sintetic, am obține un polimer cu o secvență aleatorie de baze. Cu toate acestea, majoritatea polimerazelor funcționează numai în prezența unui șablon de acid nucleic preexistent care dictează ce nucleotidă va fi adăugată la capătul lanțului. Această nucleotidă trebuie să fie complementară cu nucleotida corespunzătoare a șablonului, astfel încât noua catenă să fie complementară cu cea inițială. Până atunci, folosind firul complementar ca șablon, obținem o copie exactă a originalului. ADN-ul este format din două catene complementare reciproc. În timpul replicării, ele diverg și fiecare dintre ele servește ca șablon pentru sinteza unui nou lanț:

Acest lucru creează două noi elice duble cu aceeași secvență de baze ca ADN-ul original. Uneori, procesul de replicare „eșuează” și apar mutații (vezi și EREDITAR). Ca rezultat al transcripției ADN-ului, se formează ARN-uri celulare (ARNm, ARNr și ARNt):

Ele sunt complementare uneia dintre catenele ADN și sunt o copie a celeilalte catene, cu excepția faptului că uracilul ia locul timinei. În acest fel, puteți obține multe copii ARN ale unuia dintre lanțurile ADN. Într-o celulă normală, transferul de informații are loc numai în direcția ADN -> ADN și ADN -> ARN. Totuși, în celulele infectate cu un virus sunt posibile și alte procese: ARN -> ARN și ARN -> ADN. Materialul genetic al multor virusuri este o moleculă de ARN, de obicei monocatenar. După ce a pătruns în celula gazdă, acest ARN este replicat pentru a forma o moleculă complementară, pe care, la rândul său, sunt sintetizate multe copii ale ARN-ului viral original:

ARN-ul viral poate fi transcris de o enzimă numită transcriptază inversă în ADN, care este uneori încorporat în ADN-ul cromozomial al celulei gazdă. Acest ADN poartă acum gene virale, iar după transcripție, ARN-ul viral poate apărea în celulă. Astfel, după mult timp în care nu este detectat niciun virus în celulă, acesta va apărea din nou în ea fără reinfectare. Virușii al căror material genetic este introdus în cromozomul celulei gazdă sunt adesea cauza cancerului.
Traducerea acizilor nucleici în proteine. Informațiile genetice codificate în secvența de nucleotide a ADN-ului sunt traduse nu numai în limbajul secvenței de nucleotide a ARN-ului, ci și în limbajul aminoacizilor - unități monomerice de proteine. O moleculă proteică este un lanț de aminoacizi. Fiecare aminoacid conține o grupare carboxil acidă -COOH și o grupare amino bazică -NH2. Gruparea carboxil a unui aminoacid se leagă de gruparea amino a altuia, formând o legătură amidă, iar acest proces continuă până când se formează un lanț care conține până la 1000 de aminoacizi (vezi și PROTEINE). Proteinele conțin 20 de aminoacizi diferiți, a căror secvență le determină natura și funcțiile. Această secvență este determinată de secvența de nucleotide a genei corespunzătoare - secțiunea de ADN care codifică această proteină. Cu toate acestea, ADN-ul în sine nu este șablonul pentru sinteza proteinelor. În primul rând, este transcris în nucleu pentru a forma ARN-ul mesager (ARNm), care difuzează în citoplasmă, iar proteina este sintetizată pe acesta ca șablon. Procesul este accelerat datorită faptului că multe molecule de proteine ​​pot fi sintetizate simultan pe fiecare moleculă de ARNm. Replicarea acizilor nucleici se realizează datorită formării legăturilor de hidrogen între bazele complementare ale lanțurilor părinte și fiice. Aminoacizii nu formează legături de hidrogen cu bazele, astfel încât copierea directă a șablonului nu este posibilă. Ele interacționează cu matricea indirect, prin acizi nucleici „adaptori” - molecule mici de ARN de transfer (ARNt), constând din aproximativ 80 de baze și capabile să se lege de ARNm. Fiecare ARNt conține o secvență specifică de trei baze, un anticodon, care este complementar unui grup de trei baze, un codon, în ARNm. Anticodonii interacționează cu codonii conform regulii complementarității, aproape în același mod în care interacționează două catene de ADN. Astfel, secvența bazelor din ARNm determină ordinea în care se adaugă tARN care poartă aminoacizi. Schematic, transferul de informații de la ADN la proteină poate fi reprezentat după cum urmează:

Secvența bazelor din ADN determină ordinea aminoacizilor dintr-o proteină, deoarece fiecare aminoacid este adăugat de o enzimă specifică doar anumitor ARNt, iar aceștia, la rândul lor, numai anumitor codoni din ARNm. Complexele tARN-aminoacizi se leagă de șablon pe rând. Principalele etape ale sintezei proteinelor sunt enumerate mai jos (vezi și figura).

Enciclopedia lui Collier. - Societate deschisă. 2000 .

Vezi ce sunt „ACIDI NUCLEICI” în alte dicționare:

Polinucleotide, biopolimeri care conțin fosfor, care au o distribuție universală în natura vie. Ele au fost descoperite pentru prima dată de F. Miescher în 1868 în celule bogate în material nuclear (leucocite, spermatozoizi de somon). Termenul „N. La." propus în 1889…… Dicționar enciclopedic biologic

- (polinucleotide), compuși organici cu molecul mare formați din reziduuri de nucleotide. În funcție de carbohidratul care face parte din acidul nucleic deoxiriboză sau riboză, se face o distincție între acidul dezoxiribonucleic (ADN) și... ... Enciclopedie modernă

Dovezi pentru rolul genetic al ADN-ului

Denumirea „acizi nucleici” provine din cuvântul latin „nucleu”, adică. miez. Au fost descoperite pentru prima dată în 1868 de I.F. Miescher în nucleele leucocitelor.

Experimentele din anii 1940 și 1950 au demonstrat în mod convingător că acizii nucleici (și nu proteinele, așa cum au presupus mulți) sunt purtătorii de informații ereditare în toate organismele. Aceste experimente au relevat natura biologică a fenomenelor transformări și transducții, la nivelul microorganismelor, mecanisme de interactiune intre organisme si celule.

Transformare(din latină transformare - transformare, schimbare) - o modificare a proprietăților ereditare ale unei celule bacteriene ca urmare a pătrunderii ADN-ului străin în ea. Descoperit pentru prima dată în 1928 de F. Griffiths. Griffiths a descoperit că, atunci când șoarecii au fost injectați simultan cu două tulpini de pneumococi (tulpina R, nevirulentă și tulpina S, virulentă, dar uciși de căldură), după câteva zile au murit și pneumococii virulenți de la S- tulpinile au fost găsite în sângele lor (Fig. 7.1 .).

ACEST. Avery și colegii săi (1944) au stabilit că factorul care transformă bacteriile nepatogene în bacterii patogene sunt moleculele de ADN.

Odată cu descoperirea și studiul transformării, a devenit clar că ADN-ul este purtătorul material al informațiilor ereditare. Transformarea este posibilă și în celulele organismelor superioare.

Transducția (din latină transductio - mișcare) - transferul de către un bacteriofag al fragmentelor de ADN de la o celulă bacteriană la alta, ceea ce duce la o modificare a proprietăților ereditare ale celulei. Informația introdusă în timpul procesului de replicare a ADN-ului este transmisă printr-o serie de generații celulare ale bacteriei.

Fenomenul de transducție este o confirmare a rolului genetic al ADN-ului și este, de asemenea, folosit pentru a studia structura cromozomilor, structura genelor și este una dintre metodele de inginerie genetică.

Fig.7. 1. Reprezentarea schematică a experimentului lui Griffiths: a – moare un șoarece injectat cu o cultură a unei tulpini patogene încapsulate de S-pneumococi; b – un șoarece injectat cu o cultură a unui R-mutant non-capsular nepatogen nu moare; c – un șoarece care a primit o injecție cu o cultură de tulpină S ucisă prin căldură nu moare; Un șoarece care a primit un amestec de o cultură de mutant R viu și o cultură de tulpină S ucisă prin injecție moare.

încă unul dovada Experimentele lui H. Frenkel-Konrath (1950) cu virusul mozaicului tutunului (TMV) au demonstrat că acizii nucleici, și nu proteinele, sunt substratul material al informației genetice.

Schema experimentelor de H. Frenkel-Konrath

Astfel, odată cu descoperirea naturii chimice a factorilor de transformare și transducție în bacterii și a mecanismelor de interacțiune dintre virus și celulă, s-a dovedit rolul acizilor nucleici în transmiterea informațiilor ereditare.

Structura acidului nucleic

Acizii nucleici sunt polimeri ai căror monomeri sunt nucleotide. Nucleotida include o bază azotată, un carbohidrat de pentoză și un reziduu de acid fosforic (Fig. 7.2.).

Fig.7.2. Structura nucleotidelor

Bazele azotate ale nucleotidelor sunt împărțite în două tipuri: pirimidină(constă dintr-un inel cu 6 membri) și purină(constă din două inele fuzionate cu 5 și 6 membri). Fiecare atom de carbon al inelelor de bază are propriul său număr specific, dar cu un indice prim (′). Într-o nucleotidă, baza azotată este întotdeauna atașată la primul atom al carbohidratului de pentoză.

Bazele azotate sunt cele care determină structura unică a moleculelor de ADN și ARN. Acizii nucleici conțin 5 tipuri principale de baze azotate (purină - adenină și guanină, pirimidină - timină, citozină, uracil) și mai mult de 50 de baze rare (atipice). Bazele azotate de bază sunt desemnate prin litere inițiale A, G, T, C, U. Nucleotidele sunt denumite în funcție de bazele azotate pe care le conțin (Tabelul 7.1.).

Tabelul 7.1. Tipuri de baze azotate, nucleozide și nucleotide de ARN și ADN

Formarea unui lanț polinucleotidic linear are loc prin formare legătură fosfodiesterică pentoze ale unei nucleotide cu un fosfat al alteia. Coloana vertebrală a pentozei fosfat este formată din legături (5′-3′). Nucleotida terminală la un capăt al lanțului are întotdeauna o grupare 5′ liberă, iar la celălalt - o grupare 3′.

Fig.7.3. Formarea lanțurilor polipeptidice ale moleculelor de ADN și ARN

Există două tipuri de acizi nucleici care se găsesc în natură: ADN și ARN. În organismele procariote și eucariote, funcțiile genetice sunt îndeplinite de ambele tipuri de acizi nucleici. Virușii conțin întotdeauna un singur tip de acid nucleic.

Principalele diferențe dintre ADN și ARN sunt prezentate în Tabelul 7.2.

Tabelul 7.2. Caracteristicile acizilor nucleici

m-ARN (matrice) – transmite informații despre structura proteinei de la ADN la locul sintezei acesteia;

r-ARN (ribozomal) - parte a structurii ribozomilor pe care se sintetizează proteina;

t-ARN (transport) – transportă moleculele de aminoacizi la ribozomi. ADN baza azotata:

adenina, guanina,: timină, citozină

carbohidrați

dezoxiriboză

r-ARN (ribozomal) - parte a structurii ribozomilor pe care se sintetizează proteina;

C5H10O4 reziduu de acid fosforic

ARN adenina, guanina, timina, uracil

carbohidrați

carbohidrati:

riboza C5H10O5

Acid dezoxiribonucleic (ADN)

În 1951, E. Chargaf a formulat

3. Într-o moleculă de ADN A=T și G=C, la rândul său A+G = T+C. Pentru fiecare tip de organism, raportul A + G / T + C este specific (la om acest raport este de 1,52).

Aceste reguli au devenit cheia pentru deblocarea structurii macromoleculare a ADN-ului.

Structura moleculei de ADN a fost descifrată pentru prima dată de J. Watson și F. Crick în 1953. Conform modelului lor, ADN-ul este format din două lanțuri de polinucleotide, răsucite elicoidal unul față de celălalt.

Monomerii acestor lanțuri sunt nucleotide. Nucleotidele sunt unite într-un lanț prin formarea de legături fosfodiester (covalente) între dezoxiriboza unei nucleotide și restul de acid fosforic al altei nucleotide vecine (Fig. 7.4.).

Două lanțuri de polinucleotide sunt combinate într-o moleculă de ADN folosind legături de hidrogen între bazele azotate ale nucleotidelor diferitelor lanțuri. Bazele azotate sunt conectate după principiul complementarității. (adenina se conectează la timină folosind două legături de hidrogen, iar guanina se conectează la citozină folosind trei)

Fig.7.4. Principiul complementarității

Principiul complementarității este una dintre legile fundamentale ale naturii vii, care determină mecanismul de transmitere a informațiilor ereditare.

Lanțurile polinucleotidice ale unei molecule sunt antiparalele, adică Opus capătului 3′ al unui lanț se află capătul 5′ al celuilalt lanț.

Deși există doar 4 tipuri de nucleotide diferite într-o moleculă de ADN, datorită secvențelor lor diferite și numărului uriaș din lanțul polipeptidic, se realizează o varietate incredibilă de molecule de ADN.

O încălcare a secvenței de nucleotide dintr-un lanț ADN duce la modificări ereditare în corpul uman - mutații. ADN-ul este reprodus cu acuratețe în timpul diviziunii celulare, ceea ce asigură transmiterea caracteristicilor și proprietăților ereditare de-a lungul unui număr de generații și celule.

Descoperirea dublei helix ADN a fost unul dintre cele mai remarcabile evenimente din istoria biologiei. Doar cinci ani mai târziu, prima confirmare experimentală a modelului ADN a fost obținută în lucrările lui M. Meselson și F. Stahl. După aceste descoperiri, a venit timpul pentru un progres fără precedent în înțelegerea celui mai mare secret al naturii - implementarea informațiilor ereditare. Era biologiei moleculare a început.

Specificitatea ADN-ului de specie

Reprezentanții diferitelor specii diferă în raportul dintre (A + T) și (G + C). La animale predomină perechea A+T la microorganisme, raportul (A+T) și (G+C) este același. Aceasta este specificitatea de specie a ADN-ului. Acest indicator este folosit ca unul dintre criteriile genetice pentru determinarea speciei.

Nivelurile structurale ale ADN-ului

ADN-ul este împărțit în structură primară, secundară și terțiară.

Structura primară este o secvență de nucleotide dintr-un lanț polinucleotidic.

Structura secundară este o dublă helix de lanțuri de polinucleotide legate prin legături de hidrogen.

Există mai multe tipuri de elice ADN. În condiții fiziologice normale, cel mai frecvent helix dreptaci este forma B. Aceasta este structura standard Watson–Crick. Diametrul helixului este de 2 nm, pasul helixului este de 3,4 nm, fiecare tură a helixului conține 10 perechi de baze.

Alături de forma B, s-au găsit secțiuni de ADN care au o configurație diferită, atât cu mâna dreaptă (formele A și C) cât și cu mâna stângă (forma Z).

Forma A - o tură completă a helixului este de 2,8 2,8 nm, o tură are 11 perechi de baze azotate. ADN-ul în această formă acționează ca un șablon în timpul replicării.

Forma C are 9 perechi de baze pe tură a helixului. Forma Ζ este o spirală stângă care are 12 perechi de baze pe tură. Litera Z indică forma în zig-zag a coloanei vertebrale zahăr-fosfat a ADN-ului. Într-o celulă, ADN-ul este de obicei în forma B, dar secțiunile individuale pot fi în A-Z - sau chiar o altă configurație din cauza supraînvăluirii ADN-ului. Conformația moleculelor de ADN depinde de condiții și este una dintre pârghiile de influență asupra funcționării genelor.

Structura tertiara - Acest tridimensională superhelixul ADN-ului este caracteristic cromozomilor eucarioți și este cauzat de interacțiunea ADN-ului cu proteinele nucleare. La majoritatea procariotelor, unii virusuri, precum și în mitocondriile și cloroplastele eucariotelor, ADN-ul nu este asociat cu proteine.

Principalele proprietăți ale ADN-ului sunt capacitatea sa de a se replica și repara

Replicarea ADN-ului

Replicarea (autoreproducție, autosinteză, reduplicare) este dublarea moleculelor de ADN cu participarea unor enzime speciale. Are loc înaintea fiecărei diviziuni nucleare în perioada S a interfazei. Reduplicarea asigură transmiterea exactă a informațiilor genetice conținute în moleculele de ADN din generație în generație.

Moleculele gigantice de ADN ale eucariotelor au multe locuri de replicare - repliconi, în timp ce moleculele circulare relativ mici de ADN ale procariotelor reprezintă fiecare câte un replicon. Natura polireplicativă a uriașelor molecule de ADN ale eucariotelor permite replicarea fără derularea simultană a întregii molecule. În rest, în termeni generali, procesele de replicare ale procariotelor și eucariotelor sunt foarte asemănătoare.

Procesul de replicare a ADN-ului într-un replicon are loc în 3 etape, care implică mai multe enzime diferite.

Prima etapă. Replicarea ADN-ului începe de la un loc local unde dubla helix ADN (sub acțiunea enzimelor ADN helicaza, ADN topoizomeraza etc.) se desfășoară, legăturile de hidrogen sunt rupte și lanțurile diverge. Ca urmare, o structură numită furcă de replicare(Fig. 7.5).

Fig.7.5. Schema de replicare a ADN-ului

La a doua etapă Are loc o sinteză tipică a matricei. Nucleotidele libere sunt adăugate la legăturile libere formate pe catenele de ADN mamă conform principiului complementarității (A-T, G-C). Acest proces are loc de-a lungul întregii molecule de ADN. Pentru fiecare moleculă de ADN fiică, o catenă provine din molecula mamă, iar cealaltă este nou sintetizată. Acest model de replicare se numește semiconservatoare. Această etapă este realizată de enzima ADN polimeraza (se cunosc mai multe soiuri).

Sinteza are loc diferit pe cele două fire mamă. Deoarece sinteza este posibilă numai în direcția 5′ - 3′, sinteza rapidă are loc pe o catenă, iar sinteza lentă are loc pe cealaltă catenă, în fragmente scurte de 1000-2000 de nucleotide. Sunt numite în onoarea lui R. Okazaki, care le-a descoperit. fragmente din Okazaki. Fragmentele Okazaki sunt formate pe baza primerilor ARN (primeri ARN), care sunt sintetizați folosind o enzimă specială ARN primază. După îndeplinirea funcției sale, primerul ARN este îndepărtat, iar ADN-ligaza se unește cu fragmentele Okazaki și restabilește structura primară a ADN-ului.

La a treia etapă Helixul este răsucit și structura secundară a ADN-ului este restaurată cu ajutorul ADN-girazei.

Majoritatea enzimelor implicate în replicarea ADN-ului operează într-un complex multienzimatic asociat cu ADN-ul. Acest lucru permite replicarea să aibă loc la o viteză extraordinară (la procariote - aproximativ 3000 de perechi de nucleotide (bp) pe secundă, la eucariote - 100-300 bp pe secundă).

Cele două noi molecule de ADN sunt copii exacte ale moleculei originale (Fig. 7.6)

Fig.7.6. A – replicarea ADN-ului; B- Sinteza ADN-ului

Dacă în timpul replicării apare o nucleotidă eronată în lanțul de ADN în creștere, atunci în această situație este activat mecanismul de autocorecție. Autocorecția ADN implică corectarea erorilor care apar în timpul sintezei acidului nucleic folosind enzima ADN polimeraza (sau o enzimă strâns înrudită, reducătoare a endonucleazei).

Repararea ADN-ului

Reparație (din latină reparare - restaurare)– procesul de refacere a structurii primare a ADN-ului deteriorat ca urmare a expunerii la factori mutageni.

Celulele au diverse sisteme de „reparare” care repară daunele ADN-ului cauzate de radiații sau de factori chimici. De obicei, sunt luate în considerare trei tipuri principale de reparații:

· fotoreparare (fotoreactivare);

· repararea exciziei;

· reparație post-replicativă.

Cel mai bine studiat este repararea daunelor cauzate de razele ultraviolete. Când sunt expuși la lumină ultravioletă, dimerii apar între bazele pirimidinice adiacente ale aceleiași catene de ADN. Cel mai adesea, un dimer T-T, de ex. în loc de legături de hidrogen între T și A a două lanțuri de nucleotide, legăturile T-T se formează în cadrul unui lanț (Fig. 7.7).

Fotoreparatie apare atunci când este expus la lumina vizibilă. În același timp, enzima ADN fotoligaza împarte dimerul în monomeri și restabilește din nou legăturile de hidrogen T-A dintre lanțurile complementare

Excizie și post-replicativă repararea nu depinde de lumină și de aceea se numește reparație întunecată .

Repararea excizieiconstă în recunoașterea leziunilor ADN, tăierea (excizia) zonei deteriorate și sintetizarea și inserarea unui nou fragment.

Are loc în 4 etape:

1. Endonucleaza recunoaște zona deteriorată și rupe catena de ADN de lângă aceasta.

2. Exonucleaza „decupează” zona deteriorată

3. ADN polimeraza, bazată pe lanțul intact, care servește drept șablon, sintetizează un nou fragment după principiul complementarității.

4. Ligaza leagă capetele libere ale părții vechi ale lanțului cu capetele fragmentului nou sintetizat.

Figura 7.7. Procese reparatorii. A. Repararea exciziei (folosind exemplul Escherichia coli). B. Reparație post-replicativă. În exemplul prezentat, o rupere a unei molecule de ADN este închisă prin repararea SOS și apare o mutație (M). Poate exista o pauză în a doua moleculă de ADN; este, de asemenea, umplut prin repararea SOS sau închis prin recombinare cu sinteza de reparare ulterioară, în care catena de ADN intactă servește ca șablon. (După Böhme, Adler, cu modificări.)

Reparație post-replicativă se aprinde în cazurile în care deteriorarea ADN-ului care a avut loc înainte de replicare nu este eliminată.

Dacă dimerii nu sunt eliminați, atunci bazele corespunzătoare nu vor putea acționa ca șablon și vor apărea goluri (rupturi) în aceste locuri în ADN-ul nou sintetizat. Prin schimbul de fragmente (recombinare) între două catene duble de ADN, produsele de replicare pot forma o singură catenă dublă normală (reparare post-replicativă).

Dacă deteriorarea ADN-ului este atât de aproape una de alta încât golurile se suprapun, atunci un alt sistem de „reparare” este activat pentru a umple golurile - SOS reparatie , capabil să sintetizeze o nouă catenă de ADN pe un șablon defect. Cu acest sistem de replicare apar adesea erori și mutatii .

Sistemele de reparare celulară joacă un rol important în menținerea homeostaziei genetice, a stabilității structurale și funcționale a sistemelor vii .

Acizi ribonucleici

Acid ribonucleic este un biopolimer care constă în principal dintr-un lanț polinucleotidic. Structura nucleotidelor din ARN este similară cu cea a ADN-ului, dar există următoarele diferențe :

1. În loc de deoxiriboză, nucleotidele ARN conțin riboză;

2. În locul bazei azotate timină - uracil.

Există mai multe tipuri de ARN într-o celulă, care diferă ca mărime moleculară, structură, locație în celulă și funcții.

ARN mesager – ARNm (ARNm) Este sintetizat pe o secțiune a unuia dintre lanțurile moleculei de ADN și transmite informații despre structura proteinei de la nucleul celular la ribozomi. Este format din 300-3000 (alți autori dau 300-30000) nucleotide și reprezintă 3-5% din ARN-ul total al celulei.

La fel ca o moleculă de ADN, are structuri secundare și terțiare, care se formează prin legături de hidrogen, interacțiuni hidrofobe și electrostatice.

ARN ribozomal (ARNr) reprezintă 80-85% din ARN-ul total al celulei. Conține 3000-5000 de nucleotide. Parte din ribozomi. Se crede că ARNr oferă un anumit aranjament spațial al ARNm și ARNt în timpul sintezei proteinelor. Informațiile despre structura ARNr sunt conținute în regiunea de constricție secundară a cromozomilor.

Transfer ARN (ARNt) constă din 70-80 nucleotide și reprezintă 10-15% din ARN-ul total al celulei. Funcția ARNt este transferul de aminoacizi din citoplasmă la locul sintezei proteinelor din ribozomi. Moleculele de ARNt au o structură secundară caracteristică numită frunză de trifoi (Fig. 7.8).

Modelul tridimensional al ARNt are o formă compactă asemănătoare L. Există patru bucle în ARNt: o buclă acceptor (servește ca loc pentru atașarea aminoacizilor), o buclă anticodon (recunoaște codoni în ARNm) și două bucle laterale.

Fig.7.8. Structura ARNt

ARN nuclear eterogen– hia-ARN. Este precursorul ARNm la eucariote și este transformat în ARNm ca rezultat al procesării. De obicei, hn-ARN este mult mai lung decât i-ARN.

ARN nuclear mic - snRNA. Ia parte la procesul de transformare a ARNh.

primer ARN - un ARN minuscul (de obicei 10 nucleotide) implicat în procesul de replicare a ADN-ului.

Rolul biologic al ARN-ului consta in conservarea, implementarea, transmiterea informatiilor ereditare si asigurarea biosintezei proteinelor.

Acid adenozin trifosforic (ATP)

ATP este o mononucleotidă formată din baza azotată adenină, riboză monozaharidă și trei resturi de acid fosforic (Fig. 7.9). Reziduurile de acid fosforic sunt legate între ele prin legături de înaltă energie. Când este nevoie de energie, ATP este descompus pentru a forma acid adenozin difosforic (ADP) și un reziduu de fosfor. Aceasta eliberează energie.

ATP + H20 = ADP + H3PO4 + 40 kJ

ADP se poate descompune și pentru a forma AMP (acid adenozin monofosforic) și un reziduu de acid fosforic.

ADP + H20 = AMP + H3PO4 + 40 kJ

Fig.7.9. Schema structurii ATP și conversia acestuia în ADP

Reacțiile inverse ale conversiei AMP în ADP și ADP în ATP apar odată cu absorbția energiei în procesul de metabolism energetic și fotosinteză.

ATP este o sursă universală de energie pentru toate procesele din viața organismelor vii.

Acizii nucleici sunt heteropolimeri liniari, neramificati, ai căror monomeri sunt nucleotide legate prin legături fosfodiester.

Nucleotidele sunt substanțe organice ale căror molecule constau dintr-un reziduu de pentoză (riboză sau dezoxiriboză) la care sunt atașate covalent un reziduu de acid fosforic și o bază azotată. Bazele azotate din nucleotide sunt împărțite în două grupe: purină (adenină și guanină) și pirimidină (citozină, timină și uracil). Dezoxiribonucleotidele includ deoxiriboza și una dintre bazele azotate: adenina (A), guanina (G), timina (T), citozina (C). Ribonucleotidele includ riboza și una dintre bazele azotate: adenină (A), guanină (G), uracil (U), citozină (C).

În unele cazuri, în celule se găsesc diverși derivați ai bazelor azotate enumerate - baze minore care fac parte din nucleotidele minore.

Acizi nucleici

Există două tipuri de acizi nucleici: ADN (acid dezoxiribonucleic) și ARN (acid ribonucleic). Acizii nucleici asigură stocarea, reproducerea și implementarea informațiilor genetice (ereditare). Această informație este reflectată (codificată) sub formă de secvențe de nucleotide. În special, secvența de nucleotide reflectă structura primară a proteinelor (vezi mai jos). Corespondența dintre aminoacizi și secvențele de nucleotide care le codifică se numește cod genetic. Unitatea codului genetic al ADN-ului și ARN-ului este un triplet - o secvență de trei nucleotide.

Acizii nucleici sunt substanțe active din punct de vedere chimic. Ele formează diverși compuși cu proteine ​​- nucleoproteine, sau nucleoproteine.

Acidul dezoxiribonucleic (ADN) este un acid nucleic ai cărui monomeri sunt dezoxiribonucleotidele. ADN-ul este purtătorul principal de informații ereditare. Aceasta înseamnă că toate informațiile despre structura, funcționarea și dezvoltarea celulelor individuale și a întregului organism sunt înregistrate sub formă de secvențe de nucleotide ADN.

Reacțiile în care o moleculă de heteropolimer servește ca șablon (formă) pentru sinteza unei alte molecule de heteropolimer cu o structură complementară se numesc reacții de tip șablon. Dacă în timpul reacției se formează molecule din aceeași substanță care servesc ca matrice, atunci reacția se numește autocatalitică. Dacă, în timpul unei reacții, pe matricea unei substanțe se formează molecule ale unei alte substanțe, atunci o astfel de reacție se numește heterocatalitică. Astfel, replicarea ADN-ului (adică sinteza ADN-ului pe un șablon ADN) este o reacție de sinteză a șablonului autocatalitic.

Acidul ribonucleic (ARN) este un acid nucleic ai cărui monomeri sunt ribonucleotide.

În cadrul unei molecule de ARN există mai multe regiuni care sunt complementare între ele. Legăturile de hidrogen se formează între astfel de regiuni complementare. Ca rezultat, structurile dublu și monocatenar alternează într-o moleculă de ARN, iar conformația generală a moleculei seamănă cu o frunză de trifoi pe un pețiol.

Bazele azotate care alcătuiesc ARN-ul sunt capabile să formeze legături de hidrogen cu baze complementare atât în ​​ADN, cât și în ARN. În acest caz, bazele azotate formează perechi A=U, A=T și G≡C. Datorită acestui fapt, informațiile pot fi transferate de la ADN la ARN, de la ARN la ADN și de la ARN la proteine.

Există trei tipuri principale de ARN găsite în celule care îndeplinesc diferite funcții:

1. Informații sau ARN mesager (ARNm sau ARNm). Reprezintă 5% din ARN celular. Servește la transferul informațiilor genetice de la ADN la ribozomi în timpul biosintezei proteinelor. În celulele eucariote, ARNm (ARNm) este stabilizat de proteine ​​specifice. Acest lucru face posibilă continuarea biosintezei proteinelor chiar dacă nucleul este inactiv.

2. ARN ribozomal sau ribozomal (ARNr). Reprezintă 85% din ARN celular. Face parte din ribozomi, determină forma subunităților ribozomale mari și mici și asigură contactul ribozomului cu alte tipuri de ARN.

3. ARN de transfer (ARNt). Reprezintă 10% din ARN celular. Transportă aminoacizii la locul corespunzător al ARNm din ribozomi. Fiecare tip de ARNt transportă un aminoacid specific.

Există și alte tipuri de ARN în celule care îndeplinesc funcții auxiliare.

Toate tipurile de ARN se formează ca rezultat al reacțiilor de sinteză șablon. În cele mai multe cazuri, una dintre firele de ADN servește ca șablon. Astfel, sinteza ARN pe o matriță de ADN este o reacție heterocatalitică de tip șablon. Acest proces se numește transcripție și este controlat de anumite enzime - ARN polimeraze (transcriptaze).

19. Sinergetica a apărut ca o încercare de a găsi alternative la conceptele existente de dezvoltare, care și-au epuizat capacitățile de a explica apariția și dezvoltarea sistemelor complexe.

Conceptul inițial de sinergetică este conceptul de haos. Haosul este văzut în mod tradițional ca un principiu distructiv care trebuie ordonat. Synergetics consideră că în haos se află o sursă de dezvoltare care poate duce la rezultate constructive.

Sinergetica, spre deosebire de alte concepte de dezvoltare, readuce conceptul de șansă în faldul teoriei și îl reabilitează. Dacă în conceptul dialectic și în evoluționismul clasic aleatorietatea era considerată ca un factor secundar și neimportant, uitat și șters odată cu trecerea timpului, atunci sinergetica ridică aleatorietatea la nivelul de necesitate.

Condiții precum instabilitatea și echilibrul perturbat sunt, de asemenea, declarate de sinergetice ca fiind o stare normală și naturală.

Conceptele clasice înțeleg dezvoltarea ca o mișcare progresivă și necontestată. Dezvoltarea este supusă legii stricte a cauzalității. Folosind lanțuri cauzale, cursul dezvoltării poate fi calculat atât în ​​trecut, cât și în viitor. Dezvoltarea este retroactivă și previzibilă. Prezentul este determinat de trecut, iar viitorul de prezent.

Dar unul dintre teoreticienii de frunte în domeniul sinergeticii, I. Prigogine, susține poziția că ideea de instabilitate îndepărtează în mod semnificativ ideea de determinism. A făcut posibilă includerea activității umane în domeniul de vedere al științelor naturii. Iar concepte precum instabilitatea și imprevizibilitatea au început să joace un rol important în depășirea dezbinării care a existat întotdeauna între științele sociale și științele naturii.

Ideea de instabilitate înseamnă că traiectorii multor sisteme sunt instabile și nu putem prezice dezvoltarea lor pe o perioadă lungă. I. Prigogine numește aceste intervale „exponențial temporal” și spune că după ce trecem la un nou interval, informațiile despre cel anterior pot dispărea. Cunoștințele noastre sunt doar o mică fereastră către univers și din cauza instabilității lumii ar trebui să renunțăm chiar și la visul cunoașterii cuprinzătoare. Privind prin această fereastră, putem, desigur, să extrapolăm cunoștințele existente dincolo de granițele viziunii noastre și să speculăm despre care ar putea fi mecanismul care controlează dinamica universului, dar nimic mai mult.

În imaginea tradițională a lumii condiționalității, nu există niciun risc, deoarece cursul evenimentelor este o singură variantă și previzibil. Sinergetica postulează o viziune multivariată asupra lumii, care dezvăluie omenirii posibilitatea de a alege cu o măsură de responsabilitate pentru această alegere. Idei de bază ale sinergetice:

„din haos poate apărea o nouă certitudine organizată structural cu un nou vector al dezvoltării sale; „sistemele complex organizate și auto-organizate nu se pot dezvolta conform unor legi strict definite, deoarece momentele de spontaneitate și întâmplare joacă un rol important în ele; declarându-se în punctul de „bifurcare”. Pentru sistemele complexe există mai multe căi alternative de dezvoltare. Calea evolutivă nu este singura;

Sinergetica este atât o metodă, cât și o știință de gestionare a sistemelor complexe. Pârghia principală a acestui control nu este forța, ci direcția corectă, „arhitectura” influenței asupra unui mediu complex.

Diversele aspecte ale problemei dezvoltării luate în considerare dau motive pentru a afirma că dezvoltarea este un tip special de schimbare datorită căruia am obținut lumea în care trăim. Diversitatea fenomenelor naturale și sociale nu a fost dată inițial, ci a apărut ca urmare a dezvoltării unui anumit număr inițial de specii și forme. Prin urmare, este imposibil să înțelegem lumea în afara contextului dezvoltării, dar procesul de dezvoltare în sine devine din ce în ce mai complex și mai complex și este aproape imposibil de explicat pe baza oricărui model teoretic.

Biologii și antropologii moderni, așa cum am menționat deja, consideră că evoluția biologică a omului ca specie, adică speciația sa, a încetat de la apariția Homo sapiens. În acest sens, se pune întrebarea despre direcțiile viitoare ale dezvoltării umane ca specie biologică. Răspunzând la această întrebare, se exprimă uneori opinia că toate speciile de animale și plante se vor stinge treptat din cauza degradării genomului (program de dezvoltare genetică). Potrivit majorității oamenilor de știință, principalul pericol în acest caz nu este îmbătrânirea speciei, ci poluarea în creștere a biosferei cu diverse tipuri de deșeuri.

Datorită calităților sale tribale, o persoană trebuie să lupte cu natura. Dar nu pot exista învingători în această luptă, pentru că omul face parte din biosferă și, distrugând natura, omul se autodistruge, fără să-l observe, la fel cum nu observă radiațiile radioactive.

Toate aceste probleme sunt importante în primul rând pentru că o persoană sănătoasă este liberă în acțiunile sale, în satisfacerea nevoilor sale materiale și spirituale (în cadrul oportunităților pe care i le oferă societatea). Boala limitează libertatea omului, adăugând la restricțiile sociale asupra acțiunilor unei persoane cadrul propriului său corp. Prin urmare, atitudinea unei persoane față de corpul său nu poate fi doar o atitudine față de o obiectivitate naturală, naturală - o persoană întâlnește necesitatea, limbajul și puterea acesteia. Și această putere, imprimată în organizarea corporală a unei persoane, este deosebit de crudă și imperativă. Aproape fiecare persoană a avut ocazia să verifice acest lucru - doar amintiți-vă sentimentul de neputință absolută care acoperă o persoană în momentele de boală destul de gravă.

Putem spune că fizicitatea acționează ca un flux al vieții, ca activitate de viață a unei persoane în ansamblu. Și corpul este un aspect static al fizicității, de care o persoană nu poate scăpa niciodată atâta timp cât trăiește. La urma urmei, prin concepție, o persoană este aruncată în fluxul vieții împotriva voinței sale. Momentul morții vine și el la rândul său, indiferent de dorințele unei persoane. Fiecare etapă a schimbărilor legate de vârstă forțează o persoană într-o nouă situație de viață.

Astfel, devine evident că problemele corporalității, funcționarea corpului uman sunt o parte importantă a imaginii lumii, precum și subiectul medicinei - o știință care studiază cauzele bolilor umane, modelele dezvoltării lor. , metode de recunoaștere și tratare a acestora, precum și forme de organizare optimă a îngrijirii medicale către populație .

Desigur, medicina nu a fost întotdeauna o știință, dar a existat întotdeauna ca parte a culturii umane, care se ocupă de problemele de sănătate umană. Făcând parte din cultura unui anumit popor și a unei anumite epoci, medicina a explicat cauzele bolilor în moduri diferite în momente diferite și a recomandat diferite metode de tratare a acestora.

Aparatul de adaptare psiho-emoțională este și el în curs de restructurare. Aici, motorizarea producției moderne și a vieții de zi cu zi, saturația vieții cu tehnologie, zgomot, accelerarea ritmurilor vieții, o creștere bruscă a numărului de contacte interpersonale, adesea cu o încărcătură psiho-emoțională negativă, patogenă, capătă importanţă.

Toți factorii de mai sus determină în cele din urmă în mod direct evoluția bolilor, modificările severității acestora, simptomele și natura complicațiilor, duc la dispariția bolilor vechi și la apariția altora noi și schimbă dramatic natura morbidității. Bolile în apariția cărora factorii psiho-emoționali joacă un rol major sunt acum răspândite. Socializarea din ce în ce mai mare a vieții omului modern îi afectează patologia somatică (corporală). Factori precum profesia, atitudinea unei persoane față de muncă și atmosfera echipei de producție au un impact semnificativ asupra stării sănătății sale somatice și mintale.

În diferite stadii de maturitate socială și economică a societății, cerințele pentru nivelul costurilor neuropsihice, musculare și fizice nu sunt aceleași. În condițiile revoluției științifice și tehnologice, solicitările asupra mecanismelor neuropsihice umane sunt din ce în ce mai mari.

Odată cu trecerea de la o etapă de dezvoltare socială la alta, relațiile psiho-emoționale ale oamenilor devin din ce în ce mai complicate. Toate canalele de conexiune emoțională sunt acum umplute la limită și uneori supraîncărcate. Sistemul nervos uman este supus unui „bombardament” emoțional și mental constant, în continuă creștere, variind de la sănătos, tonic și terminând cu emoții negative, chiar patogene. Ritmul vieții crește, învechirea tehnologiei se scurtează, unele profesii devin învechite, se accelerează dezvoltarea științei, tehnologiei, culturii etc. Toate acestea impun cerințe noi și sporite asupra resurselor interne ale unei persoane, o componentă importantă a cărora este sănătatea mintală și echilibrul emoțional.

Dacă stadiul modern al dezvoltării sociale este caracterizat de o accelerare a ritmului de viață în toate sferele, atunci viteza reacțiilor psihofiziologice și somatice ale corpului se dovedește adesea a fi prea lentă, rămâne în urmă ritmurilor vieții sociale și industriale. , iar aritmia socio-biologică apare ca o condiție prealabilă generală pentru apariția multor boli.

Prin urmare, este firesc ca sănătatea populației țării să se deterioreze în fiecare an. În ultimii ani, de exemplu, 70 la sută dintre femeile moderne au probleme de sănătate. Proporția nou-născuților cu tulburări fizice și neurologice a crescut la 20 la sută. Cel mai important indicator al sănătății publice și al bunăstării sociale a societății este rata mortalității infantile. În Rusia, această cifră a crescut cu 15% în ultimii 5 ani.

Nu mai puțin deprimanți sunt indicatorii influenței unor componente ale mediului asupra sănătății umane. Astfel, se știe cu încredere că poluarea aerului provoacă boli ale sistemului respirator, ale circulației sângelui, ale digestiei etc. În plus, este cel mai important motiv pentru acumularea de mutații în organism care afectează genotipul uman.

Aproximativ 85% dintre boli sunt cauzate și transmise de apă. Bolile sunt cauzate în primul rând de calitatea proastă a apei, care conține diverși compuși toxici ai metalelor grele, impurități organice dăunătoare și bacterii. Cu cât este mai mare saturația apei cu săruri, cu atât este mai mare riscul de a dezvolta ateroscleroză, accident vascular cerebral, infarct etc. Clorul dăunează foarte mult sănătății noastre. Deși clorarea apei salvează de infecții, derivații săi subminează încet și sigur sănătatea, deoarece au un efect mutagen cancerigen. Ele pot afecta ereditatea, multe dintre ele sunt otrăvuri hepatice puternice etc.

În contextul accelerării transformărilor mediului și al impactului crescând al acestora asupra sănătății publice, studiul problemelor socio-genetice ale biosferei și al sănătății umane este de o importanță deosebită.

Acizi nucleici– biopolimeri cu conținut de fosfor ai organismelor vii, asigurând stocarea și transmiterea informațiilor ereditare. Au fost descoperite în 1869 de chimistul elvețian F. Miescher în nucleele leucocitelor. Ulterior, acizii nucleici au fost găsiți în toate celulele vegetale și animale, bacterii, viruși și ciuperci.

Există două tipuri de acizi nucleici în natură - acidul dezoxiribonucleic (ADN) și acidul ribonucleic (ARN). În prezent, se cunosc un număr mare de varietăți de ADN și ARN, care diferă unele de altele. După structură și semnificație în metabolism.

ADN-ul este localizat în principal în cromozomii nucleului celular (99% din tot ADN-ul celular), precum și în mitocondrii și cloroplaste. ARN, pe lângă nucleu, face parte din ribozomi, citoplasmă, plastide și mitocondrii.

Acizii nucleici sunt biopolimeri complecși ai căror monomeri sunt nucleotide. Fiecare nucleotidă conține un zahăr cu cinci atomi de carbon (riboză sau dezoxiriboză), o bază azotată și un reziduu de acid fosforic.

Există cinci baze azotate principale: adenină, guanină, uracil, timină și citozină. Primele două sunt purine - moleculele lor constau din două inele interconectate. Următoarele trei sunt pirimidine și au un inel cu șase atomi.

Denumirile nucleotidelor provin de la denumirile bazelor azotate corespunzătoare; ambele sunt desemnate cu majuscule: adenină - adenilat (A), guanină - guanilat (G), citozină - citidilat (C), uracil - uridilat (U), timină - deoxitimilat (T).

Numărul de nucleotide dintr-o moleculă de acid nucleic variază - de la 80 în moleculele de ARN de transfer la câteva zeci de milioane în ADN.

Molecula de ADN este un helix dublu catenar răsucit în jurul propriei axe.

Într-un lanț de polinucleotide, nucleotidele învecinate sunt conectate între ele prin legături covalente care se formează între gruparea fosfat a unei nucleotide și gruparea 3’-alcool a pentozei alteia. Astfel de legături se numesc legături fosfodiester. Gruparea fosfat formează o punte între carbonul 3’ al unui inel pentoză și carbonul 5’ al următorului.

Coloana vertebrală a lanțurilor de ADN este astfel formată din reziduuri de fosfat de zahăr.

Lanțul polinucleotidic al ADN-ului este răsucit sub formă de spirală, asemănător cu o scară în spirală și este conectat la un alt lanț complementar, folosind legături de hidrogen formate între adenină și timină (două legături), precum și guanină și citozină (trei legături). ). Nucleotidele A și T, G și C se numesc complementare. Ca rezultat, în orice organism numărul de nucleotide adenil este egal cu numărul de nucleotide timidil, iar numărul de nucleotide guanil este egal cu numărul de nucleotide citidil. Acest model se numește „regula Chargaff”. Datorită acestei proprietăți, secvența nucleotidelor dintr-un lanț determină secvența lor în celălalt. Această capacitate de a combina selectiv nucleotidele se numește complementaritatea, iar această proprietate stă la baza formării de noi molecule de ADN bazate pe molecula originală.

Lanțurile dintr-o moleculă de ADN sunt direcționate opus, adică dacă un lanț are o direcție de la capătul 3’ la capătul 5’, atunci în celălalt lanț capătul 3’ corespunde capătului 5’ și invers. Această proprietate a bobinei ADN se numește antiparalelism.

Modelul dublu catenar al moleculei de ADN a fost propus pentru prima dată în 1953 de omul de știință american J. Watson și englezul F. Crick. El a combinat datele de la E. Chargaff privind raportul dintre bazele purinice și pirimidinice ale moleculelor de ADN și rezultatele analizei de difracție cu raze X, obținute de M. Wilkins și R. Franklin. Pentru dezvoltarea modelului dublu catenar al moleculei de ADN, Watson, Crick și Wilkins au primit Premiul Nobel în 1962.

ADN-ul este cea mai mare moleculă biologică. Lungimea lor variază de la 0,25 mm - la unele bacterii - la 40 mm - la om. Aceasta este semnificativ mai mare decât cea mai mare moleculă de proteină, care, atunci când este desfășurată, nu atinge mai mult de 100-200 nm. Masa unei molecule de ADN este 6 ∙ 10 -12 g.

Diametrul moleculei de ADN este de 2 nm, pasul helixului este de 3,4 nm; Fiecare tură a helixului conține 10 perechi de nucleotide. Structura elicoidală este menținută prin numeroase legături de hidrogen care apar între bazele azotate complementare și interacțiunile hidrofobe. Moleculele de ADN ale organismelor eucariote sunt liniare. La procariote, ADN-ul, dimpotrivă, este închis într-un inel și nu are capete nici 3’, nici 5’.

Ca și proteinele, atunci când condițiile se schimbă, ADN-ul poate suferi denaturare, care se numește topire. Odată cu revenirea treptată la condițiile normale, ADN-ul renaște.

Funcțiile ADN-ului. Funcția ADN-ului este stocarea, transmiterea și reproducerea informațiilor genetice de-a lungul generațiilor. ADN-ul oricărei celule codifică informații despre toate proteinele unui organism dat, despre care proteine ​​vor fi sintetizate și în ce secvență.

Structura moleculelor de ARN este în multe privințe similară cu structura moleculelor de ADN. Cu toate acestea, există o serie de diferențe semnificative. În molecula de ARN, în loc de deoxiriboză, nucleotidele conțin riboză. În loc de nucleotida timidil (T), este inclusă nucleotida uridil (U). Principala diferență față de ADN este că molecula de ARN este o singură catenă. Cu toate acestea, nucleotidele sale sunt capabile să formeze legături de hidrogen între ele (de exemplu, în molecule de ARNt, ARNr), dar în acest caz vorbim despre o conexiune intracatenară a nucleotidelor complementare.

Lanțurile de ARN sunt mult mai scurte decât ADN-ul.

Tipuri de ARN

Există mai multe tipuri de ARN într-o celulă, care diferă ca mărime moleculară, structură, locație în celulă și funcții.

ARN mesager – ARNm– cele mai eterogene ca mărime și structură. ARNm este un lanț polinucleotidic deschis. Este sintetizat în nucleu cu participarea enzimei ARN polimeraza conform principiului complementarității cu regiunea ADN responsabilă de codificarea acestei proteine. ARNm îndeplinește o funcție esențială în celulă. Acesta servește ca șablon pentru sinteza proteinelor, transmițând informații despre structura lor din moleculele de ADN. Fiecare proteină celulară este codificată de ARNm specific.

ARN ribozomal–ARNr. Aceștia sunt acizi nucleici monocatenar care, în combinație cu proteine, formează ribozomi - organele pe care are loc sinteza proteinelor. Informațiile despre structura ARNr sunt codificate în secțiuni de ADN situate în regiunea constricției secundare a cromozomilor. ARNr reprezintă 80% din ARN total dintr-o celulă deoarece celulele conțin un număr mare de ribozomi. ARNr-urile au o structură secundară și terțiară complexă, formând bucle la regiuni complementare, ceea ce duce la auto-organizarea acestor molecule într-un corp complex. Ribozomii conțin 3 tipuri de ARNr la procariote și 4 tipuri de ARNr la eucariote.

ARN de transport (transfer) - ARNt. O moleculă de ARNt constă în medie din 80 de nucleotide. Conținutul de ARNt din celulă este de aproximativ 15% din tot ARN-ul. Funcția ARNt este de a transporta aminoacizii la locul sintezei proteinelor și de a participa la procesul de translație. Numărul de tipuri diferite de ARNt dintr-o celulă este mic (aproximativ 40). Toate au o organizare spațială similară. Datorită legăturilor de hidrogen intracatenare, molecula de ARNt capătă o structură secundară caracteristică numită frunză de trifoi.

Modelul tridimensional al ARNt arată oarecum diferit. Există patru bucle în ARNt: o buclă acceptor (servește ca loc pentru atașarea aminoacizilor), o buclă anticodon (recunoaște un codon în ARNm în timpul translației) și două bucle laterale.

Există trei macromolecule principale într-un organism viu: proteine ​​și două tipuri de acizi nucleici. Datorită acestora, se menține activitatea vitală și buna funcționare a întregului organism. Ce sunt acizii nucleici? De ce sunt necesare? Mai multe despre asta mai târziu în articol.

Informații generale

Acidul nucleic este un biopolimer, un compus organic cu greutate moleculară mare, care este format din reziduuri de nucleotide. Transmiterea tuturor informațiilor genetice de la o generație la alta este sarcina principală îndeplinită de acizii nucleici. Prezentarea de mai jos va explica acest concept mai detaliat.

Istoria studiului

Prima nucleotidă studiată a fost izolată din mușchiul bovin în 1847 și a fost numită „acid inozinic”. În urma studiului structurii chimice, s-a descoperit că este un ribozid-5′-fosfat și conține o legătură N-glicozidică. În 1868, a fost descoperită o substanță numită „nucleină”. A fost descoperit de chimistul elvețian Friedrich Miescher în timpul cercetărilor asupra anumitor substanțe biologice. Această substanță include fosfor. Compusul a avut proprietăți acide și nu a fost supus descompunerii sub influența enzimelor proteolitice.

Substanța a primit formula C29H49N9O22P3 Ipoteza despre participarea nucleinei la procesul de transmitere a informațiilor ereditare a fost prezentată ca urmare a descoperirii asemănării compoziției sale chimice cu cromatina. Acest element este componenta principală a cromozomilor Termenul „acid nucleic” a fost introdus pentru prima dată în 1889 de Richard Altmann. El a devenit autorul metodei de producere a acestor substanțe fără impurități proteice În timpul studiului hidrolizei alcaline a acizilor nucleici, Levin și Jacob au identificat principalele componente ale produselor acestui proces. S-au dovedit a fi nucleotide și nucleozide. În 1921, Lewin a propus că ADN-ul are o structură tetranucleotidă. Cu toate acestea, această ipoteză nu a fost confirmată și s-a dovedit a fi eronată.

Clasificare

Acizii nucleici sunt de două tipuri: ADN și ARN. Prezența lor se găsește în celulele tuturor organismelor vii. ADN-ul se găsește în principal în nucleul celulei. ARN-ul se găsește în citoplasmă. În 1935, în timpul fragmentării moale a ADN-ului, s-au obținut 4 nucleotide formatoare de ADN. Aceste componente sunt prezentate în stare cristalină. În 1953, Watstone și Crick au stabilit că ADN-ul are un dublu helix.

Metode de selecție

Au fost dezvoltate diferite metode pentru a obține compuși din surse naturale. Condițiile principale ale acestor metode sunt separarea eficientă a acizilor nucleici și proteinelor, cea mai mică fragmentare a substanțelor obținute în timpul procesului. Astăzi, metoda clasică este utilizată pe scară largă. Esența acestei metode este distrugerea pereților materialului biologic și tratarea ulterioară a acestora cu un detergent anionic. Rezultatul este un precipitat de proteine, în timp ce acizii nucleici rămân în soluție. Se folosește și o altă metodă. În acest caz, acizii nucleici pot fi precipitați într-o stare de gel folosind etanol și soluție salină. Trebuie avută o anumită prudență atunci când faceți acest lucru. În special, etanolul trebuie adăugat cu mare grijă la soluția salină pentru a obține un precipitat de gel. În ce concentrație este eliberat acidul nucleic, ce impurități sunt prezente în el, pot fi determinate prin metoda spectrofotometrică. Acizii nucleici sunt ușor degradați de nucleaze, care sunt o clasă specială de enzime. Cu o astfel de izolare, este necesar ca echipamentele de laborator să fie supuse unui tratament obligatoriu cu inhibitori. Acestea includ, de exemplu, un inhibitor DEPC, care este utilizat în izolarea ARN.

Proprietăți fizice

Acizii nucleici au o solubilitate bună în apă, dar sunt aproape insolubili în compuși organici. În plus, sunt deosebit de sensibili la temperatură și nivelurile de pH. Moleculele de acid nucleic cu greutate moleculară mare pot fi fragmentate de nuclează sub influența forțelor mecanice. Acestea includ amestecarea soluției și agitarea acesteia.

Acizi nucleici. Structură și funcții

Formele polimerice și monomerice ale compușilor în cauză se găsesc în celule. Formele polimerice se numesc polinucleotide. În această formă, lanțurile de nucleotide sunt legate printr-un rest de acid fosforic. Datorită conținutului a două tipuri de molecule heterociclice numite riboză și deoxiriboză, acizii sunt acizi ribonucleici și, respectiv, acizi dezoxiribonucleici. Cu ajutorul lor, are loc stocarea, transmiterea și implementarea informațiilor ereditare. Dintre formele monomerice ale acizilor nucleici, cel mai popular este acidul adenozin trifosforic. Este implicat în semnalizarea și furnizarea de rezerve de energie în celulă.

ADN

Acidul dezoxiribonucleic este o macromoleculă. Cu ajutorul acestuia, are loc procesul de transfer și implementare a informațiilor genetice. Aceste informații sunt necesare pentru programul de dezvoltare și funcționarea unui organism viu. La animale, plante și ciuperci, ADN-ul face parte din cromozomii localizați în nucleul celulei și se găsește și în mitocondrii și plastide. În bacterii și arhee, molecula de acid dezoxiribonucleic se lipește de membrana celulară din interior. În astfel de organisme, sunt prezente în principal molecule circulare de ADN. Se numesc „plasmide”. Conform structurii sale chimice, acidul dezoxiribonucleic este o moleculă de polimer constând din nucleotide. Aceste componente, la rândul lor, conțin o bază azotată, zahăr și o grupare fosfat. Datorită ultimelor două elemente se formează o legătură între nucleotide, creând lanțuri. Practic, macromolecula de ADN este prezentată sub forma unei spirale din două lanțuri.

ARN

Acidul ribonucleic este un lanț lung format din nucleotide. Conțin o bază azotată, zahăr riboză și o grupare fosfat. Informația genetică este codificată folosind o secvență de nucleotide. ARN-ul este folosit pentru a programa sinteza proteinelor. Acidul ribonucleic este creat în timpul transcripției. Acesta este procesul de sinteză a ARN-ului pe un șablon de ADN. Apare cu participarea unor enzime speciale. Se numesc ARN polimeraze. După aceasta, acizii ribonucleici șablon participă la procesul de translație. Așa are loc sinteza proteinelor pe matricea ARN. Ribozomii participă activ la acest proces. ARN-urile rămase suferă transformări chimice pentru a finaliza transcripția. Ca urmare a modificărilor care au loc, se formează structurile secundare și terțiare ale acidului ribonucleic. Ele funcționează în funcție de tipul de ARN.