1.4 Нуклеиновые кислоты. Строение днк. Аутосинтетическая

функция — репликация ДНК, гетеросинтетическая — синтез белка.

Правила Чаргаффа

Известны 2 вида нуклеиновых кислот: ДНК и РНК.

ДНК эукариот находится в ядре в виде хроматина, а также в митохон-

дриях, центриолях и пластидах, а РНК — в ядрышках, матриксе цитоплаз-

мы и рибосомах.

Носителем наследственной информации является ДНК, а РНК служит

для передачи и реализации генетической информации у про- и эукариот. С

помощью и-РНК происходит процесс перевода последовательности нук-

леотидов ДНК в последовательность аминокислот полипептида.

У некоторых организмов носителем наследственной информации может

быть РНК, например, у вирусов табачной мозаики, полиомиелита, ВИЧ.

Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Установле-

но, что в хромосомах эукариот гигантская двуспиральная молекула ДНК

образована 4 типами нуклеотидов: адениловый, гуаниловый, тимидило-

вый, цитидиловый. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания —

пуринового (Г, А) или пиримидинового (Ц, Т), дезоксирибозы и остатка

фосфорной кислоты.

Анализируя ДНК разного происхождения, Э. Чаргафф с коллегами в

40-х гг. ХХ в. определили закономерности количественного соотношения азо-

тистых оснований, которые впоследствии получили название правил Чаргаффа:

а) количество аденина равно количеству тимина (А = Т);

б) количество гуанина равно количеству цитозина (Г = Ц);

в) количество пуринов равно количеству пиримидинов (Г + А = Ц + Т);

г) количество оснований с 6-аминогруппами равно количеству осно-

ваний с 6-кетогруппами (А + Ц = Г + Т).

В то же время соотношение оснований А + Т/Г + Ц является строго

видоспецифичным коэффициентом и составляет для человека — 0,66; мы-

ши — 0,81; бактерии — 0,41.

В 1953 г. биологом Дж. Уотсоном и физиком Ф. Криком была пред-

ложена пространственная молекулярная модель ДНК. Основные постула-

ты модели заключаются в следующем:

1. Каждая молекула ДНК состоит из 2-х длинных антипараллельных

полинуклеотидных цепей, образующих двойную спираль, закрученную во-

круг центральной оси (правозакрученная — В-форма, левозакрученная —

Z-форма, обнаруженная А. Ричем в конце 70-х гг.).

2. Каждый нуклеозид (пентоза + азотистое основание) расположен в

плоскости, перпендикулярной оси спирали.

3. Две полинуклеотидные цепи скреплены водородными связями, об-

разующимися между азотистыми основаниями.

13

4. Спаривание азотистых оснований строго специфично, пуриновые

основания соединяются только с пиримидиновыми: А-Т, Г-Ц.

5. Последовательность оснований одной цепи может значительно

варьировать, но азотистые основания другой цепи должны быть строго

комплементарны им.

Полинуклеотидные цепи образуются за счет ковалентных связей меж-

ду соседними нуклеотидами через остаток фосфорной кислоты, который

соединяет углерод в 5-м положении дезоксирибозы с 3-м углеродом сосед-

него нуклеотида. Цепи разнонаправлены. Если начало одной цепи — 3'-ОН

(в 3-м положении углерода дезоксирибозы присоединяется гидроксильная

группа ОН), то конец цепи — 5'-Ф (к 5-му углероду дезоксирибозы при-

соединяется остаток фосфорной кислоты). Вторая цепь имеет направлен-

ность 5'-Ф 3'-ОН, соответственно.

Аутосинтетической функцией ДНК является репликация – авторепро-

дукция. Репликация основана на принципах полуконсервативности, анти-

параллельности, комплементарности и прерывистости. Наследственная

информация ДНК передается в результате репликации по типу матричного

синтеза. Он протекает по стадиям: инициация, элонгация и терминация.

Процесс приурочен к S-периоду интерфазы. Фермент ДНК-полимераза,

используя в качестве матрицы одноцепочечную ДНК, в присутствии нук-

леотидов и затравки РНК, строит 2-ю цепь ДНК.

Синтез ДНК осуществляется по принципу комплементарности. Меж-

ду нуклеотидами цепи ДНК образуется фосфодиэфирные связи за счет со-

единений 3'-ОН группы самого последнего нуклеотида с 5^'-фосфатом сле-

дующего нуклеотида, который должен присоединиться к цепи.

Изначально были предложены 3 альтернативные модели репликации

ДНК: консервативный, полуконсервативный, дисперсный. Однако, только

полуконсервативный был доказан экспериментально.

Консервативный — предполагает сохранность целостности исходной

двуцепочечной молекулы и синтез дочерней двуцепочной. Половина до-

черних молекул построена полностью из нового материала, а половина —

из старого материнского.

Полуконсервативный — синтез ДНК начинается с присоединения к

точке начала репликации фермента хеликазы, который расплетает участки

ДНК. К каждой из цепей присоединяется ДНК, связывающей белок и пре-

пятствующей их соединению. Единицей репликации является репликон –

это участок ДНК между точками начала и окончания репликации. Взаимо-

действие ферментов с точкой начала репликации называется инициацией.

Эта точка движется вдоль цепи ДНК и образуется репликативная вилка. У

эукариот работают сразу тысячи репликативных вилок.

У прокариот инициация происходит в одной точке кольца ДНК, при

этом 2 репликативные вилки двигаются в 2-х направлениях. В месте их

встречи двуцепочечные молекулы ДНК разъединяются.

14

Синтез новой цепи идет непрерывно на одной из матриц ДНК (3'→5')

и прерывисто — на другой (5'→3') с образованием фрагментов (фрагменты

Оказаки) длиной 1–2 тыс. нуклеотидных остатков у прокариот или 100–

200 нуклеотидов у эукариот, которые затем сшиваются ферментом ДНК-

лигазой. Имеется точка начала и конца репликации. Репликон движется

вдоль молекулы ДНК и расплетаются ее новые участки. Каждая из мате-

ринских цепей является матрицей для дочерней, которая синтезируется по

принципу комплементарности. При достижении определенной длины мо-

лекулы синтез прекращается — терминация (затравка РНК разрушается, а

на ее место добавляется ДНК).

Дисперсный — распад ДНК на нуклеотидные фрагменты. Новая дву-

цепочечная ДНК состоит из спонтанно набранных новых и родительских

фрагментов.

ДНК обладает свойством репарации — способностью к восстановле-

нию нарушенной структуры вследствие мутации. В основе этого процесса

лежит строение молекулы (двойная полинуклеотидная спираль). Восста-

новление участков, поврежденных мутациями, происходит по принципу

комплементарности.

Генетическая информация, содержащаяся в ДНК, передается на рибо-

сомы через и-РНК. Участок ДНК, содержащий информацию о структуре

полипептидной цепи, называется гйном. У эукариот списывание наследст-

венной информации с генов регулируется гистоновыми белками. Начало

списывания информации связано с освобождением определенного участка

ДНК (гена) от гистонов с помощью негистоновых белков, способных узна-

вать определенные гены.