Zpráva

Studenti 1. ročníku 13. skupiny Ústavu tělesné kultury a sportu

Fakulta tělesné kultury pro osoby se zdravotními odchylkami (Adaptivní tělesná výchova)

Razmus Alena

Semenova Jekatěrina

Prezentace na téma: "Nukleové kyseliny"

Nukleové kyseliny. Definice. Otevírací. Druhy nukleové kyseliny.

Nukleotid. Sloučenina. Struktura.

Chaargaffovo pravidlo

DNA. Model Watsona a Cricka. Struktura. Sloučenina. Funkce.

RNA. složení a rozmanitost.

DNA je nosič dědičné informace.

Stručné shrnutí.

Nukleové kyseliny.

Nukleové kyseliny (Hk) – biopolymery, které zajišťují ukládání a přenos dědičné (genetické) informace v živých organismech.

Hc byly poprvé popsány v roce 1868 švýcarským biochemikem Friedrich Miescher (1844-1895) .

Ze zbytků buněk obsažených v hnisu izoloval látku, která zahrnovala N 2 a P. Vědec tuto látku nazval nuklein(lat. nucleus - jádro), domnívajíc se, že je obsažen pouze v jádrech buněk. Později byla pojmenována nebílkovinná část této látky nukleová kyselina.

V přírodě existují dva typy nukleových kyselin, které se liší složením, strukturou a funkcí. Jedna se nazývá DNA (disoxyribonukleová kyselina) a druhá je RNA (ribonukleová kyselina).

Nukleové kyseliny jsou nejdůležitější biopolymery, které určují základní vlastnosti živých věcí.

Nukleotidy. Sloučenina. Struktura.

DNA je molekula polymeru skládající se z desítek tisíc nebo milionů monomerů - deoxyribonukleotidy.

Stanovení velikosti molekul DNA bylo možné až po vývoji speciálních metod: elektronová mikroskopie, ultracentrifugace, elektroforéza. Po úplné hydrolýze jsou tyto molekuly štěpeny na purinové a pyrimidinové báze, pentagonální monosacharid deoxyribózu a kyselinu fosforečnou.

Purinové báze - purinové deriváty. Z nich složení nukleových kyselin zahrnuje adenin A guanin:

Pyrimidinové báze obsažené v nukleových kyselinách - cytosin A thymin v DNA cytosin A uracil v RNA jsou to pyrimidinové deriváty:

Thymin se od uracilu liší přítomností methylové skupiny (-CH 3). Purinové a pyrimidinové báze se nazývají dusíkaté báze.

Mírnou hydrolýzou nukleových kyselin byly získány sloučeniny, jejichž deoxyribóza byla navázána na purinovou nebo pyrimidinovou bázi přes atom N2. Takové sloučeniny se nazývají nukleosidy. Nukleosidy ve spojení s jednou molekulou kyseliny fosforečné tvoří složitější látky - nukleotidy. Jsou to monomery nukleových kyselin DNA a RNA.

Tak, Nukleotid se skládá z dusíkaté báze, pentózového cukru a kyseliny fosforečné.

Pravidlo Erwina Chaargaffa.

Nukleotidové složení DNA bylo poprvé kvantitativně analyzováno americkým biochemikem Erwin Chaargaf, který v roce 1951 dokázal, že v DNA jsou čtyři báze. E. Chaargaf zjistil, že u všech druhů, které studoval, je množství purinové báze adeninu (A) rovné množství thyminpyrimidinové báze (T), tj. A=T.

Stejně tak množství purinové báze guanin (G) vždy se rovná množství pyrimidinové báze cytosinu (C), tj. G=C. Tím pádem, počet purinových DNA je vždy roven počtu pyrimidinu, tj. množství adeninu se rovná množství iminu a množství guaninu se rovná množství cytosinu. Tento vzor byl nazván Chaargaf pravidla.

DNA. Model Watsona a Cricka. Struktura. Sloučenina. Funkce.

V roce 1950 anglický fyzik Maurice Hugh Wilkins dostal rentgen DNA. Ukázala, že molekula DNA má určitou sekundární strukturu, jejíž rozluštění by pomohlo pochopit mechanismus fungování DNA. Byly povoleny rentgenové difrakční obrazce získané na vysoce purifikované DNA Rosalind Franklinová, kolegu Wilkinse, vidět jasný křížový vzor - identifikační znak dvojité šroubovice. Bylo také známo, že nukleotidy jsou umístěny ve vzdálenosti 0,34 nm od sebe a na jednu otáčku šroubovice jich připadá 10. Průměr molekuly DNA je asi 2 nm. Z dat rentgenové difrakce však nebylo jasné, jak jsou vlákna držena pohromadě v molekulách DNA.

Mapa se stala zcela jasnou v roce 1953, kdy americký biochemik James Watson a anglický fyzik Francis Crick po zvážení souhrnu známých dat o struktuře DNA došli k závěru, že cukr-fosfátová kostra se nachází na periferii molekula DNA a purinové a pyrimidinové báze jsou uprostřed. Ty jsou navíc orientovány tak, že se mezi bázemi opačných řetězců mohou tvořit vodíkové vazby. Jejich model odhalil, že purin v jednom řetězci je vždy vázán vodíkovou vazbou k opačnému pyrimidinu ve druhém řetězci.

Takové páry mají stejnou velikost po celé délce molekuly. Neméně důležité je, že adenin se může párovat pouze s thyminem a guanin pouze s cytosinem. V tomto případě se vytvoří dvě vodíkové vazby mezi adeninem a thyminem a tři mezi guaninem a cytosinem.

V každém z řetězců DNA se mohou báze střídat všemi možnými způsoby. Pokud je známa sekvence bází v jednom řetězci (např. T - C - G - C - A - T), pak kvůli specifičnosti párování ( princip komplementu, těch. komplementarita) se stane známým a sekvence bází jeho partnera, druhého vlákna ( A - G - C - G - T - A). Opačné sekvence a odpovídající polynukleotidové řetězce se nazývají komplementární. Přestože vodíkové vazby, které stabilizují páry bází, jsou relativně slabé, každá molekula DNA obsahuje tolik párů, že za fyziologických podmínek (teplota, pH) se komplementární vlákna nikdy sama od sebe neoddělí.

Na počátku 50. let velká skupina vědců vedená anglickým vědcem A. Todd stanovil přesnou strukturu vazeb spojujících nukleotidy jednoho řetězce. Všechny tyto vazby se ukázaly být stejné: atom uhlíku v poloze 5" deoxyribózového zbytku (čísla s prvočísly označují atomy uhlíku v pětičlenném cukru - ribóze nebo deoxyribóze) jednoho nukleotidu je spojen přes fosfátovou skupinu k atomu uhlíku v poloze 3' sousedního nukleotidu Žádné známky neobvyklého A. Todd a spolupracovníci dospěli k závěru, že polynukleotidové řetězce DNA, stejně jako proteinové polypeptidové řetězce, jsou přísně lineární.Pravidelně uspořádané vazby mezi cukry a fosfátové skupiny tvoří kostru polynukleotidového řetězce.

Naproti 5" konci jednoho řetězce je 3' konec komplementárního řetězce. Tato orientace řetězců se nazývá antiparalelní.

Ve všech organismech žijících na Zemi je DNA reprezentována dvouvláknovými šroubovitými molekulami. Výjimkou jsou molekuly jednovláknové DNA některých fágy- viry, které infikují bakteriální buňky. Tyto jednovláknové DNA jsou vždy kruhové. Dvouřetězcová DNA může být jak kruhová, tak lineární. Bakterie obsahují pouze kruhové formy DNA. Rostliny, houby a zvířata mají jak lineární (v buněčném jádře), tak kruhové (v chloroplastech a mitochondriích) molekuly.

Funkce DNA:

Datové úložiště

Přenos a reprodukce napříč generacemi genetické informace

DNA určuje, které proteiny je třeba syntetizovat a v jakém množství

Deoxyribonukleové kyseliny (DNA) jsou lineární (nebo cyklické), nerozvětvené polydeoxyribonukleotidy. Strukturní jednotkou DNA jsou deoxyribonukleotidy, konkrétně deoxyribonukleosidmonofosfáty (DNMP).

DNMF jsou sloučeniny sestávající z purinu nebo pyrimidinu dusíkaté báze deoxyribóza a jeden zbytek kyseliny fosforečné.

Jako purinové báze DNMF zahrnuje adenin a guanin, pyrimidinové báze jsou reprezentovány thyminem a cytosinem. Důležitým rysem hydroxyderivátů purinu a pyrimidinu je možnost jejich tautomerních (laktim-laktamových) přeměn. Ve složení DNA jsou všechny hydroxyderiváty dusíkatých bází přítomny ve formě laktamů (ketoforma).

Desokribonukleosidmonofosfáty.

Deoxyadenosinmonofosfát Deoxyguanosinmonofosfát

dAMP dGMP

Deoxycytidinmonofosfát Deoxythymidinmonofosfát

dCMP dTMP

Ve složení DNA se spolu s uvedenými DNMP nacházejí v malých množstvích DNMP s minoritními (exotickými) bázemi. Minoritní dusíkaté báze jsou methylované, hydroxymethylované nebo glukosylované báze vzniklé modifikací hlavních bází ve složení polydeoxyribonukleotidu během zpracování DNA (zrání). Příklady minoritních dusíkatých bází jsou:

Purinové báze Pyrimidinové báze

N6-methyladenin 5-methylcytosin

1(nebo 3, nebo 7)-methylguanin 5-hydroxymethylcytosin uranyl

N2-methyl (nebo dimethyl)-guanin hydroxymethyluracil

Ke studiu nukleotidového složení DNA se využívá hydrolýza DNA s následnou chromatografií a kvalitativním a kvantitativním stanovením dusíkatých bází. Kromě klasických metod analýzy lze nukleotidové složení DNA určit také z teploty tání DNA (obsah GC párů je přímo úměrný teplotě tání) a ze vztlakové hustoty DNA při její ultracentrifugaci v cesi. gradient hustoty chloridů (obsah párů GC je přímo úměrný hustotě vztlaku).

Při analýze nukleotidového složení DNA odlišné typy organismů byla stanovena řada vzorců, které charakterizují kvantitativní poměr dusíkatých bází (Chargaffova pravidla).

1. Molární obsah adeninu se rovná molárnímu obsahu thyminu a molární obsah guaninu se rovná molárnímu obsahu cytosinu.

A = T nebo A: T = 1.

G \u003d C nebo G: C \u003d 1.

2. Součet purinových bází se rovná součtu pyrimidinových bází.

A + G \u003d T + C nebo (A + G) : (T + C) \u003d 1.

puriny = pyrimidiny.

3. Nukleotidové složení DNA různé buňky mnohobuněčný organismus je stejný.

4. Každý biologický druh je charakterizován konstantním specifickým nukleotidovým složením DNA, které se odráží v koeficientu specifičnosti.

K = ------------;

V závislosti na převaze AT nebo GC se rozlišují typy DNA AT a GC, resp. Typ AT je typický zejména pro strunatce a bezobratlé, vyšší rostliny a kvasinky. U různých druhů bakterií existuje rozptyl ve složení nukleotidů od silně výrazného typu GC k typu AT. Na základě koeficientu specifičnosti byly vyvinuty principy genové systematiky objektů flóry a fauny.

3.3 PRIMÁRNÍ STRUKTURA DNA.

Deoxyribonukleové kyseliny (DNA) jsou lineární

(nebo cyklické) polydeoxyribonukleotidy.

Primární strukturou DNA je sekvence alternujících deoxyribonukleosidmonofosfátových (DNMP) zbytků v polydeoxyribonukleotidovém řetězci.

Primární struktura DNA je kovalentní struktura, protože zbytky DNMP v polydeoxyribonukleotidovém řetězci jsou navzájem spojeny 3", 5" fosfodiesterovými vazbami.

Kostra (páteř, páteř) polydeoxyribonukleotidu se skládá z monotónně se střídajících deoxyribózových a fosfátových skupin připojených k páteři ve stejných vzdálenostech od sebe. Cukrová fosfátová kostra DNA s velkým negativním nábojem je vysoce polární částí molekuly, zatímco dusíkaté báze jsou nepolární hydrofobní složky.

Polydeoxyribonukleotidový řetězec má vektoritu, má směr od 5'-konce (začátek řetězce) k 3'-konci (konec řetězce), tzn. 5"---->3". 5' konec (fosfátový konec) a 3' konec (hydroxylový konec) jsou konce, na kterých jsou 5' a 3' atomy deoxyribózy, v tomto pořadí, bez internukleotidové vazby. Vektorita je určena směrem sestavování polydeoxyribonukleotidového řetězce.

Polykondenzační koeficient DNA se pohybuje od 0,5 . 10 4 pro viry až 10 8 pro jadernou DNA vyšších eukaryot. V souladu s tím se také molekulová hmotnost DNA mění v širokém rozmezí a u vyšších eukaryot dosahuje několika desítek miliard daltonů. Zároveň se počet kódovaných proteinů u prokaryot a eukaryot neliší o více než řád. To je způsobeno jak složitou organizací genů, tak přítomností repetitivní DNA v eukaryotech.

U prokaryot je DNA reprezentována jedinou molekulou. Jak se druhy stávají složitějšími, zvětšuje se velikost a počet různých DNA. U eukaryot se počet DNA rovná počtu chromozomů. V lidských buňkách je tedy 46 různých DNA.

Každá DNA má jedinečnou primární strukturu a její primární struktura ve všech buňkách mnohobuněčného organismu se zdá být naprosto stejná.

Nukleotidová sekvence DNA je označena začínající na 5" konci pomocí jednopísmenných symbolů A, G, C a T pro nukleosidy.

(nukleotidy) a f - pro fosfátovou skupinu, například: fAphTfGfGfC nebo fATHGC.

Složitost studia primární struktury DNA je dána velmi dlouhou délkou polydeoxyribonukleotidového řetězce a přítomností pouze čtyř typů nukleotidů. K dešifrování primární struktury DNA se dříve používaly nepřímé metody:

kohezí purinových a pyrimidinových nukleotidových jednotek objasnění počtu a struktury jednotlivých frakcí nukleotidů (tzv. izoplate);

o kinetice reasociace DNA (přítomnost opakujících se sekvencí);

distribucí minoritních bází;

pro detekci v DNA a určení sekvence palindromů.

V současné době jsou široce používány přímé metody, které se používají v následujícím pořadí:

štěpení různými restrikčními enzymy s tvorbou překrývajících se sekvencí;

elektroforetická separace fragmentů DNA v polyakrylamidovém gelu podle počtu nukleotidů, které obsahují;

dešifrování nukleotidové sekvence ve fragmentech;

stanovení pořadí uspořádání nukleotidových fragmentů v překrývajících se oblastech.

VZNIK POLYDESOSYRIBONUKLEOTIDŮ.

Rýže. Fragment polydeoxyribonukleoidního řetězce

Nukleové kyseliny jsou makromolekulární sloučeniny, jejichž molekulová hmotnost se pohybuje od 25 tisíc do 1 milionu nebo více.

Polymerní řetězce nukleových kyselin jsou sestaveny z monomerních jednotek - nukleotidů, v souvislosti s nimiž se nukleové kyseliny nazývají polynukleotidy.

Typicky je "nedělitelná" monomerní jednotka (například aminokyselinový zbytek v proteinech) v nukleotidech třísložková formace, zahrnující heterocyklickou bázi, sacharidový zbytek a fosfátovou skupinu.

Sacharidovou složkou jsou pentózy – D-ribóza a 2-deoxy-e-ribóza. Podle toho se nukleové kyseliny dělí na ribonukleové(RNA) obsahující ribózu a deoxyribonukleové(DNA) obsahující deoxyribózu.

DNA se nachází především v jádrech buněk, RNA se nachází především v ribozomech, stejně jako v protoplazmě buněk. RNA se přímo podílí na syntéze proteinů.

14.1. Nukleotidy

14.1.1. Nukleosidy

V chemii nukleových kyselin se heterocyklické sloučeniny pyrimidinové a purinové řady zahrnuté v jejich složení obvykle nazývají nukleové báze.

Nukleové báze jako substituenty v heterocyklu mohou obsahovat:

Nebo oxo skupina, jako u uracilu a thyminu;

Nebo aminoskupina, jako u adeninu;

Nebo obě tyto skupiny současně, jako u cytosinu a guaninu.

Kyslíkaté báze představují laktamové tautomerní formy, u kterých není ovlivněna aromaticita (viz 13.4). Pro všechny základy se přejímají zkrácená třípísmenná označení, složená z prvních písmen jejich latinských názvů.

Nukleové kyseliny se liší svými heterocyklickými bázemi: uracil je obsažen pouze v RNA a thymin je

v DNA:

Nukleové báze tvoří vazbu na úkor jednoho z atomů dusíku s anomerním centrem pentózy (D-ribóza nebo 2-deoxy-D-ribóza). Tento typ vazby je podobný normální glykosidické vazbě a je známý jako N-glykosidická vazba, a samotné glykosidy - jako N-glykosidy. V chemii nukleových kyselin se jim říká nukleosidy.

Složení přírodních nukleosidů zahrnuje pentózy ve formě furanosy (atomy uhlíku v nich jsou očíslovány číslem s tahem). Glykosidická vazba je provedena s N-1 atomem dusíku pyrimidinových a N-9 purinových bází.

Přírodní nukleosidy jsou vždy p-anomery.

V závislosti na povaze sacharidového zbytku existují ribonukleosidy A deoxyribonukleosidy. Pro nukleosidy jsou běžné názvy odvozené od triviálního názvu odpovídající nukleové báze s příponami -idin v pyrimidinech a -osin v purinových nukleosidech.

Výjimkou je název „thymidin“ (spíše než deoxythymidin), který se používá pro thymindeoxyriboside, který je součástí DNA. Ve vzácných případech, kdy se thymin vyskytuje v RNA, se odpovídající nukleosid nazývá ribothymidin.

Třípísmenné nukleosidové symboly se liší od základních symbolů posledním písmenem. Jednopísmenné symboly se používají pouze pro zbytky (radikály) nukleosidů ve složitějších strukturách.

Nukleosidy jsou slabě odolné vůči hydrolýze alkalické prostředí, ale hydrolyzovat v kyselině. Purinové nukleosidy jsou snadno hydrolyzovány, zatímco pyrimidinové jsou obtížnější.

Jako léčiva v onkologii se používají syntetické deriváty pyrimidinové a purinové řady, které jsou svou strukturou podobné přirozeným metabolitům (v tomto případě nukleovým bázím), ale nejsou s nimi zcela totožné, to znamená, že se jedná o antimetabolity. Například, 5-fluorouracil mluví

jako antagonista uracilu a thyminu, 6-merkaptopurin- adenin. Soutěží s metabolity a narušují syntézu nukleových kyselin v těle v různých fázích.

14.1.2. Nukleotidy

Nukleotidy se nazývají nukleosidové fosfáty. Kyselina fosforečná obvykle esterifikuje hydroxyl alkoholu na C-5" nebo C-3" v ribózovém (ribonukleotidovém) nebo deoxyribózovém (deoxyribonukleotidovém) zbytku.

Obecný princip struktury nukleotidů je ukázán na příkladu adenosinfosfátů. Ke spojení tří složek v molekule nukleotidu se používají esterové a N-glykosidické vazby.

Nukleotidy lze na jedné straně považovat za nukleosidové estery (fosfáty) a na druhé straně za kyseliny (kvůli přítomnosti zbytku kyseliny fosforečné).

Díky fosfátovému zbytku vykazují nukleotidy vlastnosti dvojsytné kyseliny a za fyziologických podmínek při pH ~ 7 jsou v plně ionizovaném stavu.

Pro nukleotidy se používají dva typy názvů (tabulka 14.1). Jeden zahrnuje název nukleosidu, udávající polohu fosfátového zbytku v něm, například adenosin-3'-fosfát, uridin-5'-fosfát; další je postaven s přidáním kombinace -ylová kyselina k názvu zbytku pyrimidinové báze, např. 5'-uridylové kyseliny, nebo purinové báze, např. 3'-adenylové kyseliny.

Pomocí jednopísmenného kódu akceptovaného pro nukleosidy se zapíše 5 "-fosfátů s přidáním latinského písmene "r" před symbol nukleosidu, 3"-fosfáty - po nukleosidový symbol. Adenosin-5"-fosfát je označen pA, adenosin-3"-fosfát - Ap atd. Tyto zkratky se používají pro záznam sekvence nukleotidových zbytků v nukleových kyselinách. Pokud jde o volné nukleotidy v biochemické literatuře,

turné široce používá jejich názvy jako monofosfáty s odrazem této vlastnosti ve zkráceném kódu, například AMP (nebo AMP) pro adenosin-5"-fosfát atd. (viz tabulka 14.1).

Tabulka 14.1.Nejdůležitější nukleotidy, které tvoří nukleové kyseliny

Cyklofosfáty.Patří mezi ně nukleotidy, ve kterých jedna molekula kyseliny fosforečné současně esterifikuje dvě hydroxylové skupiny sacharidového zbytku. Téměř všechny buňky obsahují dva nukleosidové cyklofosfáty - adenosin-3",5"-cyklofosfát (cAMP) a guanosin-3",5"-cyklofosfát (cGMP).

14.2. Struktura nukleových kyselin

14.2.1. Primární struktura

V polynukleotidových řetězcích jsou nukleotidové jednotky spojeny prostřednictvím fosfátové skupiny. Fosfátová skupina tvoří dvě esterové vazby: s C-3 "předchozí a C-5" následujících nukleotidových jednotek (obr. 14.1). Páteř řetězce se skládá ze střídajících se pentózových a fosfátových zbytků a heterocyklické báze jsou "pendantní" skupiny připojené k pentózovým zbytkům. Nukleotid s volnou 5"-OH skupinou se nazývá 5"-konec a nukleotid s volnou 3"-OH skupinou se nazývá 3"-konec.

Obrázek 14.2 ukazuje strukturu libovolného úseku řetězce DNA, který zahrnuje čtyři nukleové báze. Je snadné si představit, kolik kombinací lze získat změnou sekvence čtyř nukleotidových zbytků. Princip stavby řetězce RNA je stejný jako u DNA, se dvěma výjimkami: D-ribóza slouží jako pentózový zbytek v RNA, a nikoli thymin, ale uracil se používá v souboru heterocyklických bází.

Primární struktura nukleových kyselin je určena sekvencí spojených nukleotidových jednotek kovalentní vazby do souvislého řetězce polynukleotidů.

Pro usnadnění psaní primární struktury existuje několik způsobů zkratek. Jedním z nich je použití dříve uvedených zkrácených názvů pro nukleosidy. Například znázorněno na Obr. 14.2 Lze zapsat fragment řetězce DNA

Rýže. 14.1.Obecný princip struktury polynukleotidového řetězce

Rýže. 14.2.Primární struktura segmentu řetězce DNA

jako d(ApCpGpTp...) nebo d(A-C-G-T...). Často se písmeno d vynechává, pokud je zřejmé, že mluvíme o DNA.

Důležitou charakteristikou nukleových kyselin je nukleotidové složení, tj. soubor a kvantitativní poměr nukleotidových složek. Nukleotidové složení je zpravidla stanoveno studiem produktů hydrolytického štěpení nukleových kyselin.

DNA a RNA se liší svým chováním za podmínek alkalické a kyselé hydrolýzy. DNA je odolná vůči hydrolýze v alkalickém prostředí. RNA se snadno hydrolyzují za mírných podmínek v alkalickém prostředí na nukleotidy, které jsou naopak schopny odštěpit zbytek kyseliny fosforečné v alkalickém prostředí za vzniku nukleosidů. Nukleosidy se v kyselém prostředí hydrolyzují na heterocyklické báze a sacharidy.

14.2.2. Sekundární struktura DNA

Pod sekundární strukturou rozumíme prostorovou organizaci polynukleotidového řetězce. Podle Watson-Crickova modelu se molekula DNA skládá ze dvou polynukleotidových řetězců, které jsou pravotočivé kolem společné osy a tvoří dvojitou šroubovici. Purinové a pyrimidinové báze směřují dovnitř šroubovice. Mezi purinovou bází jednoho řetězce a pyrimidinovou bází druhého řetězce se tvoří vodíkové vazby. Tyto důvody jsou komplementární dvojice.

Vodíkové vazby se tvoří mezi aminoskupinou jedné báze a karbonylovou skupinou druhé -NH...O=C-, a také mezi atomy dusíku amidu a iminu -NH ... N- Například, jak je uvedeno níže, mezi adeninem a thyminem se tvoří dvě vodíkové vazby a tyto báze tvoří komplementární pár, tj. adenin v jednom řetězci bude odpovídat thyminu v ostatních řetězcích. Další dvojicí komplementárních bází je guanin a cytosin, mezi kterými se vyskytují tři vodíkové vazby.

Vodíkové vazby mezi komplementárními bázemi jsou jedním z typů interakcí, které stabilizují dvoušroubovici. Dva řetězce DNA, které tvoří dvojitou šroubovici, nejsou totožné, ale vzájemně se doplňují. To znamená, že primární struktura, tj. nukleotidová sekvence, jednoho vlákna určuje primární strukturu druhého vlákna (obr. 14.3).

Rýže. 14.3.Komplementarita polynukleotidových řetězců ve dvoušroubovici

DNA

14.3. Nukleotidové koenzymy

Nukleotidy mají velká důležitost nejen jak konstrukční materiál pro nukleové kyseliny. Podílejí se na biochemických procesech a jsou zvláště důležité v roli koenzymy tj. látky blízce příbuzné enzymům a nezbytné pro jejich projev enzymatické aktivity.

14.3.1. Nukleosidové polyfosfáty

Všechny tkáně těla obsahují mono-, di- a trifosfáty nukleosidů. Zvláště široce známé jsou nukleotidy obsahující adenin - adenosin-5'-fosfát (AMP), adenosin-5'-difosfát (ADP)

a adenosin-5'-trifosfát (ATP) (pro tyto sloučeniny spolu se zkratkami uvedenými latinkou používá ruská literatura zkratky odpovídajících ruských názvů - AMP, ADP, ATP).

Nukleotidy fosforylované v různé míry, jsou schopné vzájemné přeměny prostřednictvím vytváření nebo eliminace fosfátových skupin. Difosfátová skupina obsahuje jednu a trifosfátová skupina obsahuje dvě anhydridové vazby, tzv makroergní, protože mají spoustu energie. Energetické náklady nutné pro vytvoření takové vazby jsou doplňovány energií uvolněnou v procesu metabolismu sacharidů. Při štěpení makroergické P~O vazby (označeno vlnovkou) se uvolní ~32 kJ/mol. S tím souvisí i nejdůležitější role ATP jako „dodavatele“ energie ve všech živých buňkách.

V níže uvedených vzájemných konverzích AMP, ADP a ATP vzorce těchto sloučenin odpovídají jejich neionizovanému stavu. Za fyziologických podmínek při pH ~ 7 jsou fosfátové skupiny téměř úplně ionizovány, proto jsou v biochemické literatuře tyto a jakékoli jiné nukleotidy psány jako anionty.

Nukleosidové polyfosfáty v biochemických procesech. Za účasti ATP a ADP v těle se provádí nejdůležitější biochemický proces - přenos fosfátových skupin. Typickou reakcí v metabolismu sacharidů je například tvorba esterů (fosfátů). Všechny stupně glykolýzy (přeměna glukózy na pyruvát) se provádějí pouze ve fosfátové formě. Příprava fosfátů sloučenin obsahujících hydroxylové skupiny může být znázorněna jako obecné schéma.

Galaktóza, která vzniká při rozkladu laktózy, v počáteční fázi metabolické přeměny na glukózu, tedy interaguje s ATP za vzniku monofosfátu.

14.3.2. Nikotinamidové nukleotidy

Nejvýznamnějšími zástupci této skupiny sloučenin jsou nikotinamid adenindinukleotid(NAD, nebo NAD v ruské literatuře) a jeho fosfát (NADP, nebo NADP). Tato spojení ano důležitá role koenzymy při realizaci mnoha

redoxních reakcí. V souladu s tím mohou existovat jak v oxidované (NAD+, NADP+) tak v redukované (NADH, NADPH) formě.

Strukturální fragment NAD+ a NADP+ je nikotinamidový zbytek ve formě pyridiniového kationtu. Ve složení NADH a NADPH je tento fragment převeden na 1,4-dihydropyridinový zbytek.

Při biologické dehydrogenaci ztrácí substrát dva atomy vodíku, tj. dva protony a dva elektrony (2H+, 2e) nebo proton a hydridový ion (H+ a H-). Koenzym NAD+ je obvykle považován za akceptor hydridového iontu H - (není však přesvědčivě zjištěno, zda k přenosu atomu vodíku na tento koenzym dochází současně s přenosem elektronu nebo tyto procesy probíhají odděleně).

V důsledku redukce přidáním hydridového iontu k NAD+ se pyridiniový kruh převede na 1,4-dihydropyridinový fragment. Tento proces je reverzibilní.

Při oxidační reakci se aromatický pyridinový kruh přemění na nearomatický 1,4-dihydropyridinový kruh. V důsledku ztráty aromaticity se zvyšuje energie NADH ve srovnání s NAD +. Tímto způsobem NADH ukládá energii, která se pak spotřebovává v dalších biochemických procesech, které vyžadují energetické náklady.

Typickými příklady biochemických reakcí zahrnujících NAD+ jsou oxidace alkoholových skupin na aldehydové skupiny (například přeměna retinolu na retinal, viz 15.4) a za účasti NADH redukce karbonylových skupin na alkoholové skupiny (přeměna kyselina pyrohroznová na kyselinu mléčnou, viz 9.2.3).

Každý druh má své vlastní specifické nukleotidové složení DNA.

Larson a spoluautoři v analytických experimentech na mikrokoloně (0,15 x 10 cm) zkoumali optimální podmínky pro frakcionaci restriktivní DNA v systému HOF-5 při průměrném tlaku (33 atm) a eluční rychlosti 13 ml/h . Nejlepší separace 17 fragmentů o velikosti od 43 do 850 párů bází byla získána za použití velmi jemného lineárního gradientu (0,55-0,75 M K I) o objemu 40 ml (220 Fj) v neutrálním pufru při teplotě 43 °. Zvýšení teploty podle nich ztěžuje eluci DNA a prodlužuje její profil. Je možné separovat fragmenty o délce 98 a 102 párů bází, čehož zdaleka není vždy možné dosáhnout pomocí elektroforézy. Délka lepivých konců restrikce a jejich složení ovlivňuje separaci, stejně jako složení nukleotidů DNA a dokonce i sekvence bází. Neo je zdůrazněno

Vzhledem k tomu, že v průběhu poslední dekáda v literatuře se objevily návrhy použít pro klasifikaci bakterií poměr nukleotidů ve složení DNA určité typy mikrobů, měli bychom se u této problematiky krátce zastavit. Nukleotidové složení DNA do značné míry závisí na systematické poloze organismu. Specifičnost druhů zjištěna v Chargaffově laboratoři

Promývání se opakuje po 5 minutách stejným objemem fosfátového pufru. Tato dvě promytí odstraní 90 % DNA, která může být eluována při dané teplotě. Poté se cyklus opakuje při vyšší teplotě. Ve výsledných frakcích lze určit složení nukleotidů.

Nukleotidové složení je jednou z nejdůležitějších charakteristik NA, která může poskytnout představu o povaze, vlastnostech, genezi a funkcích RNA a DNA.

Nukleotidové složení RNA se obvykle stanoví po alkalické hydrolýze přípravku, čímž se získá směs volných ribonukleotidů. Nukleotidové složení DNA se posuzuje podle poměru dusíkatých bází vytvořených během hluboké kyselé hydrolýzy léčiva.

Kromě toho může být nukleotidové složení DNA stanoveno podle Del. Purifikovaná DNA se rozpustí v 0,1 N. CH3COOH (25-50 t/ml). Optická hustota roztoku se měří při 260 a 280 mc proti 0,1 i. CH3COOH a obsah GC párů v molekule DNA se vypočítají pomocí empirického vzorce

DNA různých druhů má různé nukleotidové složení

Bezprostředně poté, co se v roce 1953 objevila Watsonova a Crickova hypotéza, bylo navrženo, že ribozomální RNA (rRNA), která v některých buňkách tvoří až 90 % celkového množství RNA, je nositelem genetické informace z jader do cytoplazmy. . V roce 1960 se však tento předpoklad ukázal jako správný. Tak zejména, přes významné rozdíly v nukleotidovém složení DNA, se velikost a nukleotidové složení RNA v ribozomech různých bakterií ukázalo být velmi podobné (kapitola 2, oddíl D, 8). Kromě toho se v této době ukázalo, že přenos informací se provádí pomocí relativně nestabilní formy RNA s krátkou životností, zatímco ribozomální RNA se ukázala jako velmi stabilní.

Rozsah změn v nukleotidovém složení DNA je překvapivě široký. Celkové procento cytosinu a guaninu (obsah G) v různých bakteriích se pohybuje od 22 do 74 %. (Obsah G v DNA E. oli je 51,7 %). U eukaryot je toto rozmezí užší (od 28 do 58 %). Skutečnost, že složení nukleotidů bakteriální DNA se liší v mnohem širším rozsahu než složení vyšších organismů, není překvapivé. Prokaryota jsou na Zemi téměř tolik milionů let jako my. Ale kvůli jejich jednodušší struktuře a vysoké rychlosti dělení příroda provedla mnohem více experimentů s jejich genetickým materiálem a provedla v něm mnohem více změn než v našem.

Důležitý krok k vytvoření přirozené taxonomie prokaryot je spojen s pokroky v molekulární biologii. V 60. letech. 20. století bylo zjištěno, že všechny vlastnosti organismu jsou určeny unikátními chemickými molekulami – DNA, takže bakterie lze klasifikovat porovnáním jejich genomů. Na takovém základě, jako je genetický materiál, se ukázalo, že je možné na základě identifikace stupně podobnosti vyvodit závěr o stupni vztahu mezi organismy. Zpočátku byl pro taxonomické účely molární obsah součtu guaninu a cytosinu (GC) porovnáván jako procento z celkového počtu bází DNA v různých objektech. Tento ukazatel se u prokaryot pohybuje od 25 do 75 %. HC index však umožňuje pouze úzké srovnání genomů. Pokud mají organismy stejné nukleotidové složení DNA, jsou mezi nimi možné podobnosti a rozdíly, neboť genetické kódování je založeno nejen na určitém obsahu bází v kódovací jednotce (tripletu), ale také na jejich vzájemném uspořádání.

Pomocí příkladů 1-5 bylo zjištěno, že složení nukleotidů ovlivňuje intenzitu fluorescence interkalačního barviva ethidium bromidu. Při stejných hodnotách optické hustoty roztoků se tedy oligonukleotidy chudé na 1 uanin barví mnohem hůře s ethidium bromidem. Přítomnost guaninu zřejmě ovlivňuje interkalační schopnost barviva. Všechny syntetizované oligonukleotidy byly použity k amplifikaci odpovídajících oblastí DNA templátů.

E. Volkin a F. Astrachan (1956) nezávisle studovali syntézu RNA u bakterií infikovaných bakteriofágem T2 obsahujícím DNA. Po infekci bakterie přestanou syntetizovat své proteiny a veškerá syntéza proteinů buňky se přepne na produkci fágových proteinů. Ukázalo se, že hlavní část RNA hostitelské buňky se nemění, ale buňka začne produkovat malý zlomek metabolicky nestabilní (krátkodobé) RNA, jejíž nukleotidové složení je podobné jako u fágové DNA.

V devátém vydání Bergiho klíče k bakteriím jsou všechny objevené organismy přiřazené k říši Prokaryotae rozděleny do 33 skupin. Znaky, kterými se rozdělení do skupin provádí, jsou zpravidla klasifikovány jako snadno identifikovatelné a umístěny v názvech skupin, například gramnegativní aerobní tyčinky a koky (skupina 4), anaerobní gramnegativní koky ( skupina 8), grampozitivní tyčinky a koky tvořící endospory (skupina 13), klouzavé bakterie tvořící plodnice (skupina 24). Hlavní myšlenkou Bergiho klasifikace je snadná identifikace bakterií. K tomu je zapotřebí kombinace morfologických znaků (tvar těla, přítomnost nebo nepřítomnost bičíků pouzdra, schopnost sporulovat, znaky intracelulární struktury, Gramovo barvení), kulturních (znaky zjištěné během kultivace v laboratoři čistého kultury), používají se fyziologické a biochemické (způsoby získávání energie, potřeba živin) vztah k faktorům prostředí složení nukleotidů a sekvence nukleotidů v molekule DNA přítomnost a povaha minoritních bází v DNA nukleotidové složení ribozomální RNA sekvence aminokyselin v enzymatické proteiny s podobnými funkcemi).

Bylo zjištěno, že nukleotidové složení DNA je pro každý typ bakterií natolik typické, že při variabilitě bakterií podle typu štěpení na 5- a H-varianty mají totožné složení DNA. Bylo také zjištěno, že bakterie patřící do různých systematických skupin mají podobné složení nukleotidů DNA (E. coli a některé korynebakterie 50-52 % HC pseudomonas a mykobakterie 57-70 % HC). Kultury bakterií se stejným složením DNA nemusí být nutně příbuzné. Existuje známá korelace mezi složením nukleotidů a antigenní strukturou. Dosud se nepodařilo prokázat vazby mezi složením DNA a příslušností bakterií ke grampozitivní skupině. Jako indikátory specifičnosti DNA se ukázaly blízce příbuzné bakterie patogenních a saprofytických druhů, hemolytické i nehemolytické.

Převážnou část molekuly DNA představují cistrony mRNA. To vysvětluje skutečnost, že celkové nukleotidové složení tkáňové mRNA je obvykle blízké nukleotidovému složení celkové DNA.

Alkalická hydrolýza RNA. Nukleotidové složení RNA lze určit bez předchozí extrakce NA z rostlin a po jejich extrakci. Pokud se stanovení složení nukleotidů provádí bez extrakce NA z

Nukleové kyseliny jsou nepravidelné heteropolymery obsahující fosfor. Otevřel v roce 1868 G.F. Misher.

Nukleové kyseliny se nacházejí v buňkách všech živých organismů. Navíc každý typ organismu obsahuje vlastní sadu nukleových kyselin, charakteristických pouze pro něj. V přírodě existuje více než 1 200 000 druhů živých organismů – od bakterií i člověka. To znamená, že existuje asi 10 10 různých nukleových kyselin, které jsou sestaveny pouze ze čtyř dusíkatých bází. Jak mohou čtyři dusíkaté báze kódovat 10 10 nukleových kyselin? Přibližně stejné, jako kódujeme své myšlenky na papír. Zavedeme posloupnost písmen abecedy, seskupíme je do slov a příroda zakóduje dědičnou informaci, čímž vytvoří sekvenci mnoha nukleotidů.

Nukleotid - relativně jednoduchý monomer, z jehož molekul se staví nukleové kyseliny. Každý nukleotid se skládá z: dusíkaté báze, pětiuhlíkového cukru (ribózy nebo deoxyribózy) a zbytku kyseliny fosforečné. Hlavní částí nukleotidu je dusíkatá báze.

Dusíkaté báze mají cyklickou strukturu, která spolu s dalšími atomy (C, O, H) zahrnuje atomy dusíku. Z tohoto důvodu se tyto sloučeniny nazývají dusíkaté. Nejdůležitější vlastnosti dusíkatých bází jsou spojeny také s atomy dusíku, například jejich slabě bazické (alkalické) vlastnosti. Proto se tyto sloučeniny nazývají "zásady".

V přírodě obsahují nukleové kyseliny pouze pět známých dusíkatých bází. Nacházejí se ve všech typech buněk, od mykoplazmat po lidské buňky.

Tento purin dusíkaté báze Adenin (A) a Guanin (G) a pyrimidin Uracil (U), Thymin (T) a Cytosin (C) Purinové báze jsou deriváty purinového heterocyklu a pyrimidinové báze jsou deriváty pyrimidinu. Uracil se nachází pouze v RNA, zatímco thymin se nachází v DNA. A, G a C se nacházejí v DNA i DNA.

V nukleových kyselinách jsou dva typy nukleotidů: deoxyribonukleotidy - v DNA, ribonukleotidy - v RNA. Struktura deoxyribózy se liší od struktury ribózy v tom, že na druhém atomu uhlíku deoxyribózy není žádná hydroxylová skupina.

V důsledku kombinace dusíkaté báze a pentózy, nukleosid. Nukleosid spojený se zbytkem kyseliny fosforečné nukleotid:

dusíkatá báze + pentóza = nukleosid + zbytek kyseliny fosforečné = nukleotid

Je popsán poměr dusíkatých bází v molekule DNA Chargaff pravidla:

1. Množství adeninu se rovná množství thyminu (A = T).

2. Množství guaninu se rovná množství cytosinu (G = C).

3. Počet purinů se rovná počtu pyrimidinů (A + G = T + C), tzn. A + G / T + C \u003d 1.

4. Počet bází se šesti aminoskupinami se rovná počtu bází se šesti ketoskupinami (A + C = G + T).

5. Poměr bází A + C / G + T je konstantní hodnota, přísně druhově specifická: člověk - 0,66; chobotnice - 0,54; myš - 0,81; pšenice - 0,94; řasy - 0,64-1,76; bakterie - 0,45-2,57.

Na základě údajů E. Chargaffa o poměru purinových a pyrimidinových bází a výsledků rentgenové difrakční analýzy získaných M. Wilkinsem a R. Franklinem v roce 1953 navrhli J. Watson a F. Crick model molekuly DNA. Za vývoj molekuly dvouvláknové DNA byli Watson, Crick a Wilkins v roce 1962 oceněni Nobelovou cenou.

Molekula DNA má dva vzájemně paralelní řetězce, ale v opačném pořadí. Monomery DNA jsou deoxyribonukleotidy: adenyl (A), thymidyl (T), guanyl (G) a cytosyl (C). Řetězce jsou drženy pohromadě vodíkovými vazbami: mezi A a T jsou dvě vodíkové vazby a mezi G a C tři vodíkové vazby. Dvojšroubovice molekuly DNA je stočena do tvaru spirály a jedna otáčka obsahuje 10 párů nukleotidů. Cívky šroubovice jsou drženy pohromadě vodíkovými vazbami a hydrofobními interakcemi. V molekule deoxyribózy jsou volné hydroxylové skupiny v polohách 3' a 5'. V těchto polohách se může vytvořit diesterová vazba mezi deoxyribózou a kyselinou fosforečnou, která spojuje nukleotidy navzájem. V tomto případě jeden konec DNA nese 5'-OH skupinu a druhý konec nese 3'-OH skupinu. DNA je největší organické molekuly. Jejich délka se u lidí u bakterií pohybuje od 0,25 nm do 40 mm (délka největší molekuly proteinu není větší než 200 nm). Hmotnost molekuly DNA je 6 x 10 -12 g.

DNA postuláty

1. Každá molekula DNA se skládá ze dvou antiparalelních polynukleotidových řetězců tvořících dvojitou šroubovici stočenou (vpravo nebo vlevo) kolem centrální osy. Antiparalelnost je zajištěna spojením 5' konce jednoho vlákna s 3' koncem druhého vlákna a naopak.

2. Každý nukleosid (pentóza + báze) se nachází v rovině kolmé k ose šroubovice.

3. Dva řetězce šroubovice jsou drženy pohromadě vodíkovými vazbami mezi bázemi A–T (dvě) a G–C (tři).

4. Párování bází je vysoce specifické a probíhá podle principu komplementarity, v důsledku toho jsou možné pouze páry A:T, G:C.

5. Sekvence bází v jednom řetězci se může výrazně lišit, ale jejich sekvence v jiném řetězci je přísně komplementární.

DNA má jedinečné vlastnosti replikace (schopnost samočinného zdvojení) a opravy (schopnost samočinné opravy).

replikace DNA- reakce syntéza matrice, proces zdvojení molekuly DNA reduplikací. V roce 1957 M. Delbrück a G. Stent na základě výsledků experimentů navrhli tři modely zdvojení molekuly DNA:

NA konzervativní: zajišťuje uchování původní dvouvláknové molekuly DNA a syntézu nové, rovněž dvouvláknové molekuly;

- polokonzervativní: zahrnuje oddělení molekuly DNA na monořetězce v důsledku přerušení vodíkových vazeb mezi dusíkatými bázemi dvou řetězců, načež je ke každé bázi, která ztratila partnera, připojena komplementární báze; dceřiné molekuly jsou přesné kopie rodičovské molekuly;

- rozptýlené: spočívá v rozpadu původní molekuly na nukleotidové fragmenty, které se replikují. Po replikaci jsou nové a rodičovské fragmenty náhodně sestaveny.

Ve stejném roce 1957 M. Meselson a F. Stahl experimentálně prokázali existenci semikonzervativního modelu založeného na Escherichia coli. A o 10 let později, v roce 1967, japonský biochemik R. Okazaki rozluštil mechanismus replikace DNA polokonzervativním způsobem.

Replikace se provádí pod kontrolou řady enzymů a probíhá v několika fázích. Jednotkou replikace je replikon - úsek DNA, který se v každém buněčném cyklu pouze jednou dostane do aktivního stavu. Replikon má výchozí body A konec replikace. U eukaryot se v každé DNA objevuje mnoho replikonů současně. Počátek replikace se pohybuje sekvenčně podél řetězce DNA ve stejném směru nebo v opačných směrech. Pohybující se přední část replikace je vidlice - replikativní nebo replikační vidlice.

Stejně jako v každé reakci syntézy matrice existují tři fáze replikace.

Zahájení: připojení enzymu helikázy (helikázy) k počátku replikace. Helikáza odvíjí krátké úseky DNA. Poté se na každý z oddělených řetězců naváže protein vázající DNA (DBP), který zabraňuje opětovnému spojení řetězců. Prokaryota mají další enzym DNA gyráza, který pomáhá helikáze rozvinout DNA.

Prodloužení: postupné komplementární přidávání nukleotidů, v důsledku čehož se prodlužuje řetězec DNA.

K syntéze DNA dochází okamžitě na obou jejích řetězcích. Protože enzym DNA polymeráza může sestavit řetězec nukleotidů pouze ve směru od 5' do 3', jeden z řetězců se replikuje nepřetržitě (ve směru replikační vidlice) a druhý se replikuje diskontinuálně (s tvorbou Okazakiho fragmentů). ), v opačném směru, než je pohyb replikační vidlice. První řetězec se nazývá vedoucí, a druhý je zaostávat. Syntéza DNA se provádí za účasti enzymu DNA polymerázy. Podobně se na zaostávajícím řetězci syntetizují fragmenty DNA, které jsou následně zesíťovány enzymy – ligázami.

Ukončení: ukončení syntézy DNA po dosažení požadované délky molekuly.

oprava DNA- schopnost molekuly DNA „opravovat“ poškození, která vznikla v jejích řetězcích. Na tomto procesu se podílí více než 20 enzymů (endonukleázy, exonukleázy, restrikční enzymy, DNA polymerázy, ligázy). Ony:

1) najít změněné oblasti;

2) odřízněte a odstraňte je z řetězu;

3) obnovit správnou sekvenci nukleotidů;

4) obnovený fragment DNA je fúzován se sousedními oblastmi.

DNA plní v buňce speciální funkce, které jsou určeny jejím chemickým složením, strukturou a vlastnostmi: ukládání, reprodukce a implementace dědičné informace mezi novými generacemi buněk a organismů.

RNA jsou běžné ve všech živých organismech a jsou reprezentovány molekulami různých velikostí, struktur a funkcí. Skládají se z jednoho polynukleotidového řetězce tvořeného čtyřmi typy monomerů – ribonukleotidů: adenyl (A), uracil (U), guanyl (G) a cytosyl (C). Každý ribonukleotid se skládá z dusíkaté báze, ribózy a zbytku kyseliny fosforečné. Všechny molekuly RNA jsou přesnými kopiemi určitých úseků DNA (genů).

Struktura RNA je určena sekvencí ribonukleotidů:

- hlavní– sekvence ribonukleotidů v řetězci RNA; jde o jakýsi záznam genetické informace; definuje sekundární strukturu;

-sekundární- vlákno RNA stočené do spirály;

- terciární– prostorové uspořádání celé molekuly RNA; terciární struktura zahrnuje sekundární strukturu a fragmenty primární, které spojují jeden úsek sekundární struktury s druhým (transport, ribozomální RNA).

Sekundární a terciární struktury jsou tvořeny vodíkovými vazbami a hydrofobními interakcemi mezi dusíkatými bázemi.

Messenger RNA (i-RNA)- programuje syntézu buněčných proteinů, protože každý protein je kódován příslušnou mRNA (i-RNA obsahuje informaci o sekvenci aminokyselin v proteinu, který má být syntetizován); hmotnost 104-2x106; molekula s krátkou životností.

Transfer RNA (t-RNA)- 70-90 ribonukleotidů, hmotnost 23 000-30 000; při realizaci genetické informace dodává aktivované aminokyseliny do místa syntézy polypeptidu, „rozpoznává“ odpovídající úsek i-RNA; v cytoplazmě je reprezentován dvěma formami: t-RNA ve volné formě a t-RNA asociovaná s aminokyselinou; více než 40 druhů; 10 %.