Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты – важнейшие компоненты всех живых клеток. Эти вещества регулируют передачу наследственных признаков в ряду поколений.
Их относительная молекулярная
масса колеблется в
пределах
20 000 – 10 000 000

Нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК

Нуклеиновые кислоты – от латинского «nucleus» - ядро
Швейцарский врач Иоганн Фридрих Мишер в 1871 г. открыл в гное новое вещество нуклеин. Ему было лишь 23 года.
Его ученик Рихард Альтман в 1889 г. переименовал нуклеин в нуклеиновую кислоту

История открытия
ДНК открыта в 1868 г швейцарским врачом
И. Ф. Мишером в клеточных ядрах
лейкоцитов, входящих в состав гноя, отсюда и название – нуклеиновая кислота (лат. «nucleus» - ядро).
В 20-30-х годах XX в. определили, что
ДНК – полимер (полинуклеотид),
в эукариотических клетках она
сосредоточена в хромосомах.
Предполагали, что ДНК играет структурную роль.
В 1944 г. группа американских бактериологов из Рокфеллеровского института во главе с О. Эвери показала, что способность пневмококков вызывать болезнь передается от одних к другим при обмене ДНК (плазмидами). Таким образом, было доказано, что именно ДНК является носителем наследственной информации. Теории, объясняющей данный факт, еще не было.

В 1962 г. Нобелевская премия за открытие строения молекулы ДНК присуждена:
Американскому биохимику Джеймсу Уотсону
Английскому ученому Френсису Крику
Английскому биофизику Морису Уилкинсу

Модель ДНК Уотсона и Крика – 1953 г.
ДНК – двойная спираль, в которой 2 полинуклеотидные цепи удерживаются водородными связями между комплементарными основаниями.
Данная модель была основана на следующих фактах:
данные химического анализа (ДНК – полинуклеотид);
работа Эрвина Чаргаффа о равном соотношении в ДНК аденина и тимина, цитозина и гуанина;
рентгенограмма ДНК, полученная Розалиндой Франклин и Морисом Уилкинсом.
Именно модель Уотсона-Крика позволила объяснить, каким образом при делении клетки в каждую дочернюю клетку попадает идентичная информация, содержащаяся в материнской клетке. Это происходит в результате удвоения молекулы ДНК, то есть в результате репликации.

Через 50 лет после открытия (в 2003 г.) завершена расшифровка ДНК человека – Джеймсом Уотсоном

Химическое строение нуклеиновых кислот
Нуклеиновые кислоты являются биополимерами, мономеры которых – нуклеотиды.
Каждый нуклеотид состоит из 3-х частей:
азотистого основания,
пентозы – моносахарида,
остатка фосфорной кислоты.
Данное строение подтверждается
продуктами ступенчатого
гидролиза нуклеиновых кислот.

Нуклеотид ДНК
Дезоксирибоза
Ортофосфорная кислота
основание
N-гликозидная связь

Нуклеотид РНК
рибоза
Ортофосфорная кислота
основание
N-гликозидная связь

Основания

Пиримидин и пурин
Пиримидин С4Н4N2 - шестичленный гетероцикл с двумя атомами азота.
Пурин С5H4N4 – соединение, в молекуле которого сочетаются структуры шести- и пятичленного гетероциклов, содержащих по два атома азота.

Пиримидиновые основания
Пиримидиновые основания – производные пиримидина, входящие в состав нуклеиновых кислот: урацил, тимин, цитозин.
Для оснований, содержащих группу –ОН, характерно подвижное равновесие структурных изомеров, обусловленное переносом протона от кислорода к азоту и наоборот:

Пуриновые основания
Пуриновые основания - производные пурина, входящие в состав нуклеиновых кислот: аденин, гуанин.
Гуанин существует в виде двух структурных изомеров.
Образование нуклеозидов происходит, как и в случае пиримидиновых оснований, по связи N–H.

Дезоксирибоза и ортофосфорная кислота
Дезоксирибоза
Ортофосфорная кислота

Первичная структура нуклеиновых кислот
Нуклеотиды связываются между собой в полинуклеотидную цепь сложноэфирными связями через 3-й углеродный атом одной молекулы пентозы, кислотный остаток фосфорной кислоты и 5-й углеродный атом другой молекулы пентозы. Остатки азотистых оснований направлены в одну сторону (внутрь молекулы ДНК).
Последовательность соединения нуклеотидов в полимерную цепь и является первичной структурой нуклеиновых кислот.

Вторичная структура нуклеиновых кислот
Молекула ДНК – спиральная, состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных вокруг общей оси – вторичная структура. Пары оснований располагаются строго перпендикулярно оси двойной спирали, подобно перекладинам в перевитой веревочной лестнице. Эти пары имеют почти точно одинаковые размеры, поэтому в структуру двойной спирали «вписываются» любые последовательности пар оснований. Данное строение и отражает модель Уотсона-Крика.

В конце 1940-х годов американский биохимик австрийского происхождения Эрвин Чаргафф выяснил, что во всех ДНК содержится равное количество оснований Т и А и, аналогично, равное количество оснований Г и Ц. Однако, относительное содержание Т/А и Г/Ц в молекуле ДНК специфично для каждого вида.

Принцип комплементарности
Азотистые основания двух полинуклеотидных цепей ДНК соединяются между собой попарно при помощи водородных связей (ВС) по принципу комплементарности (пространственного соответствия друг другу). Пиримидиновое основание связывается с пуриновым: тимин Т с аденином А (две ВС), цитозин Ц с гуанином Г (три ВС). Таким образом, содержание Т равно содержанию А, содержание Ц равно содержанию Г. Зная последовательность нуклеотидов в одной цепи ДНК, можно расшифровать строение (первичную структуру) второй цепи.

Виды нуклеиновых кислот

Местонахождение нуклеиновых кислот в клетке
ДНК
находится в ядре, митохондриях, пластидах
РНК находится в ядре,
митохондриях, пластидах, цитоплазме, рибосомах

Функции ДНК
Хранение генетической информации
Передача генетической информации от родителей потомству
Реализация генетической информации в процессе жизнедеятельности клетки и организма

Строение РНК
РНК – биополимер, мономером которого являются нуклеотиды
РНК – одиночная полинуклеотидная последовательность. РНК вирусов может быть одно – и двух - цепочечной
Каждый нуклеотид состоит из:
Азотистого основания А, Г, Ц, У ( урацил )
Моносахарида – рибозы
Остатка фосфорной кислоты
Типы нуклеотидов РНК: Адениловый, Гуаниловый, Цитидиловый, Уридиловый

Виды и функции РНК
Транспортная РНК(т-РНК). Молекулы т-РНК самые короткие. Транспортная РНК в основном содержится в цитоплазме клетки. Функция состоит в переносе аминокислот в рибосомы, к месту синтеза белка. Из общего содержания РНК клетки на долю т-РНК приходится около 10%.
Рибосомная РНК (р-РНК). Это самые крупные РНК. Рибосомная РНК составляет существенную часть структуры рибосомы. Из общего содержания РНК в клетке на долю р-РНК приходится около 90%.
Информационная РНК (и-РНК), или матричная
(м-РНК). Содержится в ядре и цитоплазме. Функция ее состоит в переносе информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка в рибосомах. На долю и-РНК приходится примерно 0,5—1% от общего содержания РНК клетки.

Свойства ДНК и РНК
Амфотерность: Основные свойства проявляются за счет азотистого основания; кислотные – за счет остатка фосфорной кислоты. Кислотные свойства преобладают, среда в растворах нуклеиновых кислот – кислотная.
Молекулы ДНК способны к репликации (удвоению), т.е. могут обеспечить возможность синтеза других молекул ДНК, идентичных исходным
Молекулы ДНК могут направлять совершенно точным и определенным образом синтез белков, специфичных для организмов данного вида
НК – могут денатурировать - т.е. утрачивать вторичную структуру
НК подвергаются гидролизу:
Мягкий гидролиз - полинуклеотидная цепь рвётся с образованием всё более коротких фрагментов, до тех пор пока не образуются нуклеотиды.
Полный гидролиз – нуклеотидиды образуют смесь пиримидиновых и пуриновых оснований, моносахарид
(рибозу или дезоксирибозу) и фосфорную кислоту.