B. Structura acidului dezoxiribonucleic (ADN). Acizi nucleici: istoria cercetării, descriere Proprietăți chimice ale ADN-ului
Ministerul Educației și Științei al Federației Ruse
Instituție de învățământ autonomă de stat federală
Educatie inalta
„UNIVERSITATEA NAȚIONALĂ DE CERCETARE TEHNOLOGICĂ KAZAN”
INSTITUTUL DE INGINERIE ALIMENTARĂ
DEPARTAMENTUL DE BIOTEHNOLOGIE ALIMENTARĂ
REZUMAT PE TEMA
ACIZI NUCLEICI. ADN și ARN
Completat de: Radenko V.
Grupa 625 M-52
Acizi nucleici - compuși organici naturali de înaltă moleculă care asigură stocarea și transmiterea informațiilor ereditare (genetice) în organismele vii. Fiecare organism viu conține 2 tipuri de acizi nucleici: acid ribonucleic (ARN) și acid dezoxiribonucleic (ADN). Greutatea moleculară a celui mai mic acid nucleic cunoscut, ARN de transfer (ARNt), este de aproximativ 25 kDa. ADN-ul este cea mai mare moleculă de polimer; greutatea lor moleculară variază de la 1.000 la 1.000.000 kDa. ADN-ul și ARN-ul constau din unități monomerice - nucleotide, motiv pentru care acizii nucleici se numesc polinucleotide.
Structura nucleotidelor
Fiecare nucleotidă conține 3 componente chimic diferite: o bază azotată heterociclică, o monozaharidă (pentoză) și un reziduu de acid fosforic. În funcție de numărul de reziduuri de acid fosforic prezente în moleculă, se disting monofosfații nucleozidici (NMP), difosfații nucleozidici (NDP) și trifosfații nucleozidici (NTP) (Fig. 4-1). Acizii nucleici conțin două tipuri de baze azotate: purină - adenina(A), guanina(G) și pirimidină - citozină(CU), timină(T) și uracil(U). Numerotarea atomilor din baze este scrisă în interiorul ciclului (Fig. 4-2). Pentozele din nucleotide sunt fie riboză (în ARN) fie dezoxiriboză (în ADN). Pentru a distinge numărul de atomi din pentoze de numerotarea atomilor din baze, înregistrarea se face pe exteriorul ciclului și se adaugă un prim ("") numărului - 1", 2", 3", 4" și 5" (Fig. 4-3). Pentoza se conectează la bază Legatura N-glicozidica, format din atomul de C 1 al pentozei (riboză sau dezoxiriboză) şi atomul de N 1 al pirimidinei sau atomul de N 9 al purinei (Fig. 4-4). Nucleotidele în care pentoza este reprezentată de riboză se numesc ribonucleotide, iar acizii nucleici formați din ribonucleotide se numesc acizi ribonucleici sau ARN. Acizii nucleici ai căror monomeri includ deoxiriboza se numesc acizi dezoxiribonucleici sau ADN. După structura lor, acizii nucleici sunt clasificați ca
Orez. 4-1. Nucleozide mono-, di- și trifosfați ai adenozinei. Nucleotidele sunt esteri de fosfor ai nucleozidelor. Reziduul de acid fosforic este atașat la atomul de carbon de 5" al pentozei (legatură fosfoester de 5").
Orez. 4-2. Baze purinice și pirimidinice.
Orez. 4-3. Pentoze. Există 2 tipuri - β-D-riboză în compoziția nucleotidelor ARN și β-D-2-dezoxiriboză în compoziția nucleotidelor ADN.
clasa de polimeri liniari. Coloana vertebrală a acidului nucleic are aceeași structură pe toată lungimea moleculei și este formată din grupe alternante - pentoză-fosfat-pentoză- (Fig. 4-5). Grupările variabile din lanțurile polinucleotidice sunt baze azotate - purine și pirimidine. Moleculele de ARN includ adenina (A), uracil (U), guanina (G) și citozină (C), în timp ce ADN-ul conține adenină (A), timină (T), guanină (G) și citozină (C). Structura unică și individualitatea funcțională a moleculelor de ADN și ARN sunt determinate de structura lor primară - secvența bazelor azotate din lanțul polinucleotid.
Orez. 4-4. Nucleotide purinice și pirimidinice.
Orez. 4-5. Fragment de lanț de ADN.
B. Structura acidului dezoxiribonucleic (ADN)
Structura primară a ADN-ului - ordinea alternanței monofosfaților dezoxiribonucleozidici (dNMP) în lanțul polinucleotidic. Fiecare grupare fosfat din lanțul polinucleotidic, cu excepția reziduului de fosfor de la capătul de 5" al moleculei, participă la formarea a două legături esterice care implică atomii de carbon de 3" și 5" ai două dezoxiriboze vecine, prin urmare legătura dintre monomerii sunt desemnați 3", 5" - fosfodiester. Nucleotidele terminale ale ADN-ului se disting prin structură: la capătul 5" există o grupare fosfat, iar la capătul 3" al lanțului există o grupare OH liberă. Acestea capetele se numesc capete de 5" și 3". Secvența liniară de dezoxiribonucleotide din lanțul de polimer ADN abreviată de obicei folosind un cod cu o singură literă, de exemplu -A-G-C-T-T-A-C-A- de la capătul 5"- la 3".
Fiecare monomer de acid nucleic conține un rest de acid fosforic. La pH 7 gruparea fosfat este complet ionizată, deci in vivo Acizii nucleici există ca polianioni (au sarcini negative multiple). Reziduurile de pentoză prezintă, de asemenea, proprietăți hidrofile. Bazele azotate sunt aproape insolubile în apă, dar unii atomi ai inelelor purinice și pirimidinice sunt capabili să formeze legături de hidrogen.
Structura secundară a ADN-ului.În 1953, J. Watson și F. Crick au propus un model al structurii spațiale a ADN-ului. Conform acestui model, molecula de ADN are forma unui helix, formată din două lanțuri de polinucleotide răsucite unul față de celălalt și în jurul unei axe comune. Helix dublu dreptaci, lanț polinucleotidic din el antiparalel(Fig. 4-6), i.e. dacă unul dintre ele este orientat în direcția 3"→5", atunci al doilea este în direcția 5"→3". Prin urmare, la fiecare capăt
Orez. 4-6. ADN dublu helix.
Moleculele de ADN constau din două catene antiparalele cu o secvență de nucleotide complementară. Lanțurile sunt răsucite unul față de celălalt într-o spirală dreaptă, astfel încât să existe aproximativ 10 perechi de nucleotide pe tură a moleculei. Toate bazele catenelor de ADN sunt situate în interiorul dublei helix, iar coloana vertebrală a pentozei fosfat este în exterior. Lanțurile polinucleotidice sunt ținute unul față de celălalt datorită legăturilor de hidrogen dintre bazele azotate complementare purinice și pirimidinice A și T (două legături) și între G și C (trei legături) (Fig. 4-7). Cu această combinație, fiecare pereche conține trei inele, astfel încât dimensiunea totală a acestor perechi de baze este aceeași pe toată lungimea moleculei.
Orez. 4-7. Perechile de baze purină-pirimidină în ADN.
Legăturile de hidrogen cu alte combinații de baze dintr-o pereche sunt posibile, dar sunt mult mai slabe. Secvența de nucleotide a unui lanț este complet complementară cu secvența de nucleotide a celui de-al doilea lanț. Prin urmare, conform regulii lui Chargaff (Erwin Chargaff în 1951 a stabilit modele în raportul bazelor purinice și pirimidinice dintr-o moleculă de ADN), numărul de baze purinice (A + G) este egal cu numărul de baze pirimidinice (T + C) . Bazele complementare sunt stivuite la miezul helixului. Între bazele unei molecule dublu catenare dintr-o stivă, interacțiuni hidrofobe, stabilizând dublu helix.
Această structură exclude contactul reziduurilor azotate cu apa, dar stiva de baze nu poate fi absolut verticală. Perechile de baze sunt ușor decalate unele de altele. În structura formată, se disting două caneluri - una mare, de 2,2 nm lățime și una mică, de 1,2 nm lățime. Bazele de azot din zona canelurilor majore și minore interacționează cu proteine specifice implicate în organizarea structurii cromatinei.
Structura terțiară a ADN-ului (supercoiling ADN) Fiecare moleculă de ADN este ambalată într-un cromozom separat. Celulele diploide umane conțin 46 de cromozomi. Lungimea totală a ADN-ului tuturor cromozomilor dintr-o celulă este de 1,74 m, dar este ambalat într-un nucleu al cărui diametru este de milioane de ori mai mic. Pentru a localiza ADN-ul în nucleul celulei, trebuie să se formeze o structură foarte compactă. Compactarea și supraînfăşurarea ADN-ului sunt efectuate folosind o varietate de proteine care interacționează cu anumite secvențe din structura ADN-ului. Toate proteinele care se leagă de ADN-ul eucariotic pot fi împărțite în 2 grupe: Gisgon și proteine non-histone. Complexul de proteine cu ADN-ul nuclear al celulelor se numește cromatină.
Histones- proteine cu o greutate moleculară de 11-21 kDa, care conţin multe resturi de arginină şi lizină. Datorită sarcinii lor pozitive, histonele formează legături ionice cu grupări fosfat încărcate negativ situate în exteriorul dublei helix ADN. Există 5 tipuri de histone. Patru histone H2A, H2B, H3 și H4 formează un complex proteic octameric (H2A, H2B, H3, H4) 2, care se numește "nucleozomal"(din engleza miez de nucleozom). Molecula de ADN „se înfășoară” pe suprafața octamerului histonei, completând 1,75 spire (aproximativ 146 de perechi de nucleotide). Acest complex de proteine histonice cu ADN servește ca unitate structurală principală a cromatinei, se numește „nucleozom”. ADN-ul care leagă particulele nucleozomale se numește ADN linker. În medie, ADN-ul linker este de 60 de perechi de resturi de nucleotide. Moleculele de histonă H1 se leagă de ADN în regiunile internucleozomale (secvențe linker) și protejează aceste regiuni de acțiunea nucleazelor (Fig. 4-8).
Orez. 4-8. Structura nucleozomilor.
Opt molecule de histonă (H2A, H2B, H3, H4) 2 alcătuiesc miezul nucleozomului, în jurul căruia ADN-ul formează aproximativ 1,75 spire. ADN. Reziduurile de aminoacizi ale lizinei, argininei și grupărilor amino terminale ale histonelor pot fi modificate: acetilate, fosforilate, metilate sau interacționează cu proteina ubiquitin (proteină non-histone). Modificările pot fi reversibile sau ireversibile; ele modifică sarcina și conformația histonelor, iar acest lucru afectează interacțiunea histonelor între ele și cu ADN-ul. Activitatea enzimelor responsabile de modificări este reglată și depinde de stadiul ciclului celular. Modificările fac posibile rearanjamente conformaționale ale cromatinei.
Proteine cromatine non-histone. Nucleul unei celule eucariote conține sute de diverse proteine non-histone care leagă ADN-ul. Fiecare proteină este complementară unei secvențe specifice de nucleotide ADN (site-ul ADN). Acest grup include familia de proteine specifice locului de tip „deget de zinc” (vezi secțiunea 1). Fiecare „deget de zinc” recunoaște un loc specific format din 5 perechi de nucleotide. O altă familie de proteine site-specifice sunt homodimerii. Fragmentul unei astfel de proteine în contact cu ADN-ul are o structură helix-turn-helix (vezi secțiunea 1). Grupul de proteine structurale și de reglare care sunt asociate în mod constant cu cromatina include proteine cu mobilitate ridicată ( proteine HMG- din engleza, proteine gel cu mobilitate ridicată). Au o greutate moleculară mai mică de 30 kDa și se caracterizează printr-un conținut ridicat de aminoacizi încărcați. Datorită greutății lor moleculare scăzute, proteinele HMG au o mobilitate ridicată în timpul electroforezei pe gel de poliacrilamidă. Proteinele non-histone includ, de asemenea, enzime de replicare, transcriere și reparare. Cu participarea proteinelor structurale, reglatoare și a enzimelor implicate în sinteza ADN-ului și ARN-ului, catena de nucleozomi este transformată într-un complex foarte condensat de proteine și ADN. Structura rezultată este de 10.000 de ori mai scurtă decât molecula originală de ADN.
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 molecularitate 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 studierii structurii chimice, s-a dezvăluit că este un ribozid-5′-fosfat și conține o legătură N-glicozidică. În 1868, a fost descoperită o substanță numită „nucleină”. A fost descoperită 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 Presupunerea privind 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 care formează 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 dezvoltarea 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 agață 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.
Conținutul articolului
ACIZI NUCLEICI– molecule de polimer biologic care stochează toate informațiile despre un organism viu individual, determinând creșterea și dezvoltarea acestuia, precum și caracteristicile ereditare transmise generației următoare. Acizii nucleici se găsesc în nucleele celulare ale tuturor organismelor vegetale și animale, care le-au determinat numele (lat. . nucleu – miez).
Compoziția lanțului polimeric de acizi nucleici.
Lanțul polimeric al acizilor nucleici este asamblat din fragmente de acid fosforic H 3 PO 3 și fragmente de molecule heterociclice care sunt derivați ai furanului. Există doar două tipuri de acizi nucleici, fiecare construit pe baza unuia dintre cele două tipuri de astfel de heterocicli - riboză sau dezoxiriboză (Fig. 1).
Orez. 1. STRUCTURA RIBOZEI ȘI DEOXIRIBOZEI.
Numele riboză (din lat. . Coastă - coastă, agrafă) are terminația - oză, ceea ce indică faptul că aparține clasei de zaharuri (de exemplu, glucoză, fructoză). Al doilea compus nu are o grupă OH (grup hidroxi), care este marcată cu roșu în riboză. În acest sens, compusul triplu se numește deoxiriboză, adică riboză lipsită de o grupare oxi.
Lanțul polimeric, construit din fragmente de riboză și acid fosforic, stă la baza unuia dintre acizii nucleici - acidul ribonucleic (ARN). Termenul „acid” din denumirea acestui compus este folosit deoarece una dintre grupările acide OH ale acidului fosforic rămâne nesubstituită, ceea ce conferă întregului compus un caracter ușor acid. Dacă deoxiriboza este implicată în formarea lanțului polimeric în locul ribozei, atunci se formează acid dezoxiribonucleic, pentru care abrevierea binecunoscută ADN este acceptată în mod obișnuit.
Structura ADN-ului.
Molecula de ADN servește ca punct de plecare în procesul de creștere și dezvoltare a organismului. În fig. Figura 2 arată cum două tipuri de compuși inițiali alternativi sunt combinate într-un lanț polimeric; ea arată nu metoda de sinteză, ci diagrama de principiu a ansamblării unei molecule de ADN.
În versiunea finală, molecula de ADN polimer conține heterocicluri care conțin azot în cadrul lateral. Patru tipuri de astfel de compuși sunt implicate în formarea ADN-ului, două dintre ele sunt cicluri cu șase membri și două sunt cicluri condensate, în care un inel cu șase membri este fuzionat cu unul cu cinci membri (Fig. 3).
Orez. 3. STRUCTURA HETEROCICLOR CU AZOT, care fac parte din ADN
La a doua etapă de asamblare, compușii heterociclici care conțin azot prezentați mai sus sunt adăugați la grupările OH libere ale dezoxiribozei, formând pandantive laterale pe lanțul polimeric (Fig. 4).
Moleculele de adenină, timină, guanină și citozină atașate la lanțul polimeric sunt desemnate prin primele litere ale denumirii compușilor originali, adică: A, T, GȘi C.
Lanțul polimeric al ADN-ului în sine are o anumită direcție - atunci când se mișcă mental de-a lungul moleculei în direcțiile înainte și invers, aceleași grupuri care alcătuiesc lanțul sunt întâlnite pe parcurs în secvențe diferite. Când se deplasează într-o direcție de la un atom de fosfor în altul, mai întâi de-a lungul căii există o grupare CH 2, apoi două grupuri CH (atomii de oxigen pot fi ignorați); atunci când se deplasează în direcția opusă, secvența acestor grupuri va fi inversat (Fig. 5) .
Orez. 5. ORIENTAREA LANȚULUI DE POLIMERI AL ADN-ului. Când se descrie ordinea în care alternează heterociclurile atașate, se obișnuiește să se utilizeze direcția directă, adică de la gruparea CH2 la grupările CH.
Însuși conceptul de „direcție a catenei” ajută la înțelegerea modului în care două catene de ADN sunt aranjate atunci când sunt combinate și este, de asemenea, direct legat de sinteza proteinelor.
În etapa următoare, două molecule de ADN sunt combinate, poziționate astfel încât începutul și sfârșitul lanțurilor să fie îndreptate în direcții opuse. În acest caz, heterociclurile celor două lanțuri se confruntă unul cu celălalt și sunt situate într-un mod optim, ceea ce înseamnă că legăturile de hidrogen apar între perechile de grupări C=O și NH2, precum și între є N și NH=, care fac parte. a heterociclurilor ( cm. LEGĂTURĂ DE HIDROGEN). În fig. Figura 6 arată modul în care cele două lanțuri sunt poziționate unul față de celălalt și cum apar legăturile de hidrogen între heterocicluri. Cel mai important detaliu este că perechile legate prin legături de hidrogen sunt strict definite: fragment A interacționează întotdeauna cu T, și fragmentul G– mereu cu C. Geometria strict definită a acestor grupuri duce la faptul că aceste perechi se potrivesc una cu cealaltă extrem de precis (ca o cheie a unei încuietori), o pereche LA legate prin două legături de hidrogen și perechea G-C- trei conexiuni.
Legăturile de hidrogen sunt considerabil mai slabe decât legăturile de valență obișnuite, dar datorită numărului lor mare de-a lungul întregii molecule de polimer, legătura dintre cele două lanțuri devine destul de puternică. O moleculă de ADN conține zeci de mii de grupuri A, T, GȘi C iar ordinea alternanței lor în cadrul unei molecule de polimer poate fi diferită, de exemplu, într-o anumită secțiune a lanțului, secvența poate arăta astfel: - A-A-T-G-C-G-A-T-. Deoarece grupările care interacționează sunt strict definite, secțiunea opusă a celei de-a doua molecule de polimer va avea în mod necesar secvența - T-T-A-C-G-C-T-A-. Astfel, cunoscând ordinea de aranjare a heterociclurilor într-un lanț, se poate indica plasarea lor într-un alt lanț. Din această corespondență rezultă că numărul total de grupe dintr-o moleculă dublă de ADN A egal cu numărul de grupuri T, și numărul de grupuri G- cantitate C(regula lui E. Chargaff).
Două molecule de ADN legate prin legături de hidrogen sunt prezentate în Fig. 5 sub forma a două lanțuri întinse, dar în realitate sunt dispuse diferit. Adevărata direcție în spațiu a tuturor legăturilor, determinată de unghiurile de legătură și de contractarea interacțiunilor cu hidrogen, duce la o anumită îndoire a lanțurilor polimerice și la rotația planului heterociclului, care este prezentată aproximativ în primul fragment video din Fig. 7 folosind formula structurală. Întreaga structură spațială poate fi transmisă mult mai precis doar cu ajutorul modelelor tridimensionale (Fig. 7, al doilea fragment video). În acest caz, apare o imagine complexă, deci se obișnuiește să se utilizeze imagini simplificate, care sunt utilizate în special pe scară largă atunci când descrie structura acizilor nucleici sau proteine. În cazul acizilor nucleici, lanțurile polimerice sunt descrise sub formă de panglici plate și grupări heterociclice. A, T, GȘi C– sub formă de tije laterale sau simple lovituri de valență, având culori diferite, sau care conțin la final denumirile de litere ale heterociclurilor corespunzătoare (Fig. 7, al treilea fragment video).
Când întreaga structură este rotită în jurul axei verticale (Fig. 8), forma elicoidală a două molecule de polimer este clar vizibilă, ca și cum ar fi înfășurată pe suprafața cilindrului, acesta este binecunoscutul dublu helix al ADN-ului.
Cu o astfel de imagine simplificată, informația principală nu dispare - ordinea alternanței grupării A, T, GȘi C, care determină individualitatea fiecărui organism viu, toate informațiile sunt înregistrate într-un cod de patru litere.
Structura lanțului polimeric și prezența obligatorie a patru tipuri de heterocicluri sunt aceleași pentru toți reprezentanții lumii vii. Toate animalele și plantele superioare au numărul de perechi A – Tîntotdeauna ceva mai mult decât un cuplu G – C. Diferența dintre ADN-ul mamiferelor și ADN-ul plantelor este că mamiferele au o pereche A – T de-a lungul întregii lungimi a lanțului apare puțin mai des (de aproximativ 1,2 ori) decât perechea G – C. În cazul plantelor, preferința pentru prima pereche este mult mai pronunțată (de aproximativ 1,6 ori).
ADN-ul este una dintre cele mai mari molecule de polimer cunoscute astăzi; în unele organisme, lanțul său de polimer constă din sute de milioane de unități. Lungimea unei astfel de molecule ajunge la câțiva centimetri, ceea ce reprezintă o valoare foarte mare pentru obiectele moleculare. Deoarece Deoarece secțiunea transversală a moleculei este de numai 2 nm (1 nm = 10–9 m), proporțiile sale pot fi comparate cu o șină de cale ferată de zeci de kilometri lungime.
Proprietățile chimice ale ADN-ului.
În apă, ADN-ul formează soluții vâscoase; atunci când astfel de soluții sunt încălzite la 60 ° C sau când sunt expuse la alcalii, dubla helix se rupe în lanțuri de două componente, care se pot uni din nou dacă revenim la condițiile inițiale. În condiții ușor acide, are loc hidroliza, în urma căreia fragmentele –P-O-CH 2 sunt descompuse parțial pentru a forma fragmentele –P-OH, respectiv HO-CH 2, rezultând formarea de monomeri, dimerici (dublu). ) sau acizi trimerici (tripli), care sunt verigi din care a fost asamblat lanțul de ADN (Fig. 9).
Orez. 9. FRAGMENTE OBŢINUTE PRIN CLAVAREA ADN-ului.
Hidroliza mai profundă face posibilă separarea secțiunilor dezoxiribozei de acidul fosforic, precum și a grupului G din deoxiriboză, adică dezasamblați mai detaliat molecula de ADN în componentele sale constitutive. Sub acțiunea acizilor puternici (pe lângă descompunerea fragmentelor –P(O)-O-CH 2 -), grupările sunt, de asemenea, separate. AȘi G. Acțiunea altor reactivi (de exemplu, hidrazina) face posibilă separarea grupurilor TȘi C. O scindare mai delicată a ADN-ului în componente se realizează folosind un preparat biologic - dezoxiribonuclează, izolat din pancreas (capăt - aza indică întotdeauna că substanța este un catalizator de origine biologică - o enzimă). Partea inițială a numelui este dezoxiribonuclează- indică ce compus descompune această enzimă. Toate aceste metode de scindare a ADN-ului sunt concentrate, în primul rând, pe o analiză detaliată a compoziției sale.
Cea mai importantă informație conținută într-o moleculă de ADN este ordinea de alternanță a grupurilor A, T, GȘi C, se obtine folosind tehnici special dezvoltate. În acest scop, a fost creată o gamă largă de enzime care găsesc o secvență strict definită în molecula de ADN, de exemplu, C-T-G-C-A-G(precum și secvența corespunzătoare pe lanțul opus G-A-C-G-T-C) și izolați-l de lanț. Această proprietate este deținută de enzima Pst I (denumire comercială, este formată din numele acelui microorganism P rovidencia Sf uartii, din care se obţine această enzimă). Când se utilizează o altă enzimă Pal I, este posibil să se găsească secvența G-G-C-C. În continuare, se compară rezultatele obținute din acțiunea unei game largi de enzime diferite conform unei scheme pre-dezvoltate, ca urmare este posibil să se determine secvența unor astfel de grupuri pe o anumită secțiune de ADN. Acum astfel de tehnici au fost aduse la stadiul de utilizare pe scară largă; ele sunt utilizate într-o mare varietate de domenii departe de cercetarea biochimică științifică, de exemplu, în identificarea rămășițelor organismelor vii sau stabilirea gradului de relație.
Structura ARN
este în multe privințe o reminiscență a ADN-ului, diferența este că în lanțul principal fragmentele de acid fosforic alternează cu riboză, și nu cu deoxiriboză (Fig.). A doua diferență este că un heterociclu uracil ( U) în loc de timină ( T), alte heterocicluri A, GȘi C la fel ca si pentru ADN. Uracilul diferă de timină prin absența unei grupări metil atașate inelului, în Fig. 10 această grupare metil este evidențiată cu roșu.
Orez. 10. DIFERENTA TIMINA DE URACIL– absența unei grupări metil în al doilea compus, evidențiată cu roșu în timină.
Un fragment al unei molecule de ARN este prezentat în Fig. 11, ordinea grupărilor A, U, GȘi C, iar raportul lor cantitativ poate fi diferit.
Fig. 11. FRAGMENT AL O MOLECULE DE ARN. Principala diferență față de ADN este prezența grupărilor OH în riboză (roșu) și a unui fragment de uracil (albastru).
Lanțul polimeric al ARN-ului este de aproximativ zece ori mai scurt decât cel al ADN-ului. O diferență suplimentară este că moleculele de ARN nu sunt combinate în elice duble formate din două molecule, ci există de obicei ca o singură moleculă, care în unele zone poate forma fragmente elicoidale dublu catenare cu sine, alternând cu secțiuni liniare. În regiunile elicoidale, interacțiunea perechilor este observată la fel de strict ca și în ADN. Perechi legate prin legături de hidrogen și formând o spirală ( A-UȘi G-C), apar în acele zone în care dispunerea grupurilor se dovedește a fi favorabilă unei astfel de interacțiuni (Fig. 12).
Pentru marea majoritate a organismelor vii, conținutul cantitativ al perechilor A-U mai mult decât G-C, la mamifere de 1,5–1,6 ori, la plante – de 1,2 ori. Există mai multe tipuri de ARN, care au roluri diferite într-un organism viu.
Proprietățile chimice ale ARN-ului
se aseamănă cu proprietățile ADN-ului, totuși, prezența unor grupări OH suplimentare în riboză și conținutul mai scăzut (comparativ cu ADN) al regiunilor elicoidale stabilizate face moleculele de ARN mai vulnerabile din punct de vedere chimic. Sub acțiunea acizilor sau alcalinelor, principalele fragmente ale lanțului polimeric P(O)-O-CH2 sunt ușor hidrolizate, grupări A, U, GȘi C se rupe mai ușor. Dacă este necesar să se obțină fragmente monomerice (ca cele din Fig. 9), păstrând în același timp heterocicluri legate chimic, se folosesc enzime delicate numite ribonculeaze.
Participarea ADN-ului și ARN-ului la sinteza proteinelor
– una dintre funcțiile principale ale acizilor nucleici. Proteinele sunt cele mai importante componente ale oricărui organism viu. Mușchii, organele interne, țesutul osos, pielea și părul mamiferelor constau din proteine. Aceștia sunt compuși polimerici care sunt asamblați într-un organism viu din diverși aminoacizi. Într-un astfel de ansamblu, acizii nucleici joacă un rol de control; procesul are loc în două etape, iar în fiecare dintre ele factorul determinant este orientarea reciprocă a heterociclurilor ADN și ARN care conțin azot.
Sarcina principală a ADN-ului este să stocheze informațiile înregistrate și să le furnizeze în momentul în care începe sinteza proteinelor. În acest sens, stabilitatea chimică crescută a ADN-ului în comparație cu ARN este de înțeles. Natura a avut grijă să păstreze informațiile de bază cât mai inviolabile posibil.
În prima etapă, o parte a dublei helix se deschide, ramurile eliberate diverg și în grupuri A, T, GȘi C, care s-a dovedit a fi accesibil, începe sinteza ARN-ului, numită ARN mesager, deoarece acesta, ca copie din matrice, reproduce cu acuratețe informațiile înregistrate pe secțiunea ADN revelată. Vizavi de grup A, aparținând moleculei de ADN, există un fragment din viitorul ARN mesager care conține grupul U, toate celelalte grupări sunt situate unul față de celălalt, exact în conformitate cu modul în care se întâmplă acest lucru în timpul formării unei duble helix ADN (Fig. 13).
Conform acestei scheme, se formează o moleculă polimerică de ARN mesager, care conține câteva mii de unități monomerice.
În a doua etapă, ADN-ul șablon se deplasează de la nucleul celulei în spațiul perinuclear - citoplasmă. ARN-ul mesager rezultat este însoțit de așa-numitele ARN-uri de transfer, care poartă (transportă) diferiți aminoacizi. Fiecare ARN de transfer, încărcat cu un aminoacid specific, se apropie de o regiune strict determinată a ARN-ului mesager; locația dorită este detectată folosind același principiu de intercorespondență de grup. A
Un detaliu important este că interacțiunea temporară dintre mesager și ARN de transfer are loc în doar trei grupuri, de exemplu, triada C-C-U acid de matrice, numai triplul corespunzător poate fi potrivit G-G-A ARN de transfer, care cu siguranță poartă cu el aminoacidul glicină (Fig. 14). La fel și pentru triada G-A-U doar un set se poate apropia C-U-A, transportând doar aminoacidul leucină. Astfel, secvența grupărilor din ARN-ul mesager indică în ce ordine ar trebui combinați aminoacizii. În plus, sistemul conține reguli de reglementare suplimentare în formă codificată; unele secvențe din trei grupuri de ARN mesager indică faptul că sinteza proteinelor ar trebui să se oprească în acest moment, de exemplu. molecula a atins lungimea necesară.
Arată în Fig. 14 sinteza proteinelor are loc cu participarea încă unul - al treilea tip de acizi ARN; fac parte din ribozomi și, prin urmare, sunt numiți ribozomal. Ribozomul, care este un ansamblu de anumite proteine ARN ribozomal, asigură interacțiunea dintre mesager și ARN de transfer, jucând rolul unei benzi transportoare care mișcă ARN-ul mesager la un pas după ce a avut loc conexiunea a doi aminoacizi.
Semnificația principală a schemei în două etape prezentată în Fig. 13 și 14, este că lanțul de polimer al unei molecule de proteină este asamblat din diverși aminoacizi în ordinea dorită și strict conform planului care a fost scris în formă codificată pe o anumită secțiune a ADN-ului. Astfel, ADN-ul reprezintă punctul de plecare al întregului proces programat.
În procesul vieții, proteinele sunt consumate în mod constant și, prin urmare, sunt reproduse în mod regulat conform schemei descrise; întreaga sinteză a unei molecule de proteine, constând din sute de aminoacizi, are loc într-un organism viu în aproximativ un minut.
Primele studii ale acizilor nucleici au fost efectuate în a doua jumătate a secolului al XIX-lea, înțelegerea faptului că toate informațiile despre un organism viu sunt criptate în ADN a venit la mijlocul secolului al XX-lea, structura dublei helix a ADN-ului a fost stabilită în 1953 de J. Watson și F. Crick pe baza analizei de difracție a razelor X, care este recunoscută drept cea mai mare realizare științifică a secolului al XX-lea. La mijlocul anilor '70 ai secolului XX. Au apărut metode de descifrare a structurii detaliate a acizilor nucleici și, după aceea, au fost dezvoltate metode pentru sinteza lor țintită. Astăzi, nu toate procesele care au loc în organismele vii care implică acizi nucleici sunt clare, iar astăzi acesta este unul dintre domeniile cele mai intens dezvoltate ale științei.
Mihail Levitsky
