B. Struktura deoksiribonukleinske kisline (DNK). Nukleinske kisline: zgodovina raziskav, opis Kemijske lastnosti DNA
Ministrstvo za izobraževanje in znanost Ruske federacije
Zvezna državna avtonomna izobraževalna ustanova
Višja izobrazba
"NACIONALNA RAZISKOVALNA TEHNOLOŠKA UNIVERZA KAZAN"
INŠTITUT ZA ŽIVILSTVO
ODDELEK ZA ŽIVILSKO BIOTEHNOLOGIJO
POVZETEK NA TEMO
NUKLEINSKA KISLINA. DNK in RNK
Izdelal: Radenko V.
Skupina 625 M-52
Nukleinska kislina - naravne visokomolekularne organske spojine, ki zagotavljajo shranjevanje in prenos dednih (genetskih) informacij v živih organizmih. Vsak živ organizem vsebuje 2 vrsti nukleinskih kislin: ribonukleinsko kislino (RNK) in deoksiribonukleinsko kislino (DNK). Molekulska masa najmanjše znane nukleinske kisline, prenosne RNA (tRNA), je približno 25 kDa. DNK je največja polimerna molekula; njihova molekulska masa se giblje od 1.000 do 1.000.000 kDa. DNK in RNK sta sestavljeni iz monomernih enot – nukleotidov, zato nukleinske kisline imenujemo polinukleotidi.
Zgradba nukleotidov
Vsak nukleotid vsebuje 3 kemijsko različne komponente: heterociklično dušikovo bazo, monosaharid (pentozo) in ostanek fosforne kisline. Glede na število ostankov fosforne kisline, prisotnih v molekuli, ločimo nukleozidne monofosfate (NMP), nukleozidne difosfate (NDP) in nukleozidne trifosfate (NTP) (slika 4-1). Nukleinske kisline vsebujejo dve vrsti dušikovih baz: purin - adenin(A), gvanin(G) in pirimidin - citozin(Z), timin(T) in uracil(U). Oštevilčenje atomov v bazah je zapisano znotraj cikla (slika 4-2). Pentoze v nukleotidih so riboza (v RNA) ali deoksiriboza (v DNA). Da bi ločili število atomov v pentozah od oštevilčevanja atomov v bazah, se posnetek naredi na zunanji strani cikla in številu doda praštevilo (") - 1", 2", 3", 4" in 5" (slika 4-3). Pentoza je povezana z bazo N-glikozidna vez, tvorita atom C 1 pentoze (riboza ali deoksiriboza) in atom N 1 pirimidina ali atom N 9 purina (slika 4-4). Nukleotidi, v katerih je pentoza predstavljena z ribozo, se imenujejo ribonukleotidi, nukleinske kisline, zgrajene iz ribonukleotidov, pa ribonukleinske kisline ali RNA. Nukleinske kisline, katerih monomeri vključujejo deoksiribozo, imenujemo deoksiribonukleinske kisline ali DNK. Nukleinske kisline po strukturi delimo na:
riž. 4-1. Nukleozidni mono-, di- in trifosfati adenozina. Nukleotidi so fosforjevi estri nukleozidov. Ostanek fosforne kisline je vezan na 5" ogljikov atom pentoze (5" fosfoestrska vez).
riž. 4-2. Purinske in pirimidinske baze.
riž. 4-3. Pentoze. Obstajata 2 vrsti - β-D-riboza v sestavi nukleotidov RNA in β-D-2-deoksiriboza v sestavi nukleotidov DNA.
razred linearnih polimerov. Hrbtenica nukleinske kisline ima enako strukturo vzdolž celotne dolžine molekule in je sestavljena iz izmenjujočih se skupin - pentoza-fosfat-pentoza- (slika 4-5). Variabilne skupine v polinukleotidnih verigah so dušikove baze - purini in pirimidini. Molekule RNA vključujejo adenin (A), uracil (U), gvanin (G) in citozin (C), medtem ko DNA vsebuje adenin (A), timin (T), gvanin (G) in citozin (C). Edinstveno strukturo in funkcionalno individualnost molekul DNA in RNA določa njihova primarna struktura - zaporedje dušikovih baz v polinukleotidni verigi.
riž. 4-4. Purinski in pirimidinski nukleotidi.
riž. 4-5. Fragment verige DNK.
B. Struktura deoksiribonukleinske kisline (DNA)
Primarna struktura DNK - vrstni red menjavanja deoksiribonukleozid monofosfatov (dNMP) v polinukleotidni verigi. Vsaka fosfatna skupina v polinukleotidni verigi, z izjemo fosforjevega ostanka na 5" koncu molekule, sodeluje pri tvorbi dveh estrskih vezi, ki vključujeta 3" in 5" atoma ogljika dveh sosednjih deoksiriboz, zato je vez med monomere označujemo s 3", 5" - fosfodiester. Končne nukleotide DNK ločimo po zgradbi: na 5" koncu je fosfatna skupina, na 3" koncu verige pa prosta OH skupina. Ti konci se imenujejo 5" in 3" konci. Linearno zaporedje deoksiribonukleotidov v polimerni verigi DNK je običajno skrajšano z enočrkovno kodo, na primer -A-G-C-T-T-A-C-A- od 5"- do 3"-konca.
Vsak monomer nukleinske kisline vsebuje ostanek fosforne kisline. Pri pH 7 je fosfatna skupina popolnoma ionizirana, torej in vivo Nukleinske kisline obstajajo kot polianioni (imajo več negativnih nabojev). Ostanki pentoze kažejo tudi hidrofilne lastnosti. Dušikove baze so skoraj netopne v vodi, vendar pa lahko nekateri atomi purinskih in pirimidinskih obročev tvorijo vodikove vezi.
Sekundarna struktura DNA. Leta 1953 sta J. Watson in F. Crick predlagala model prostorske strukture DNK. Po tem modelu ima molekula DNA obliko vijačnice, ki jo tvorita dve polinukleotidni verigi, zasukani ena glede na drugo in okoli skupne osi. Dvojna vijačnica desničar, polinukleotidna veriga v njej antiparalelen(slika 4-6), tj. če je ena od njih usmerjena v smeri 3"→5", potem je druga v smeri 5"→3". Zato na vsakem koncu
riž. 4-6. dvojna vijačnica DNK.
Molekule DNA so sestavljene iz dveh antiparalelnih verig s komplementarnim nukleotidnim zaporedjem. Verige so druga glede na drugo zavite v desnosučno spiralo, tako da je na zavoj molekule približno 10 parov nukleotidov. Vse baze verig DNK se nahajajo znotraj dvojne vijačnice, hrbtenica pentozofosfata pa zunaj. Polinukleotidne verige so medsebojno povezane zaradi vodikovih vezi med komplementarnimi purinskimi in pirimidinskimi dušikovimi bazami A in T (dve vezi) ter med G in C (tri vezi) (slika 4-7). Pri tej kombinaciji vsak par vsebuje tri obroče, tako da je celotna velikost teh baznih parov enaka po celotni dolžini molekule.
riž. 4-7. Purin-pirimidinski bazni pari v DNK.
Vodikove vezi z drugimi kombinacijami baz v paru so možne, vendar so veliko šibkejše. Nukleotidno zaporedje ene verige je popolnoma komplementarno nukleotidnemu zaporedju druge verige. Zato je po Chargaffovem pravilu (Erwin Chargaff je leta 1951 vzpostavil vzorce v razmerju purinskih in pirimidinskih baz v molekuli DNK) število purinskih baz (A + G) enako številu pirimidinskih baz (T + C) . Komplementarne baze so zložene v jedru vijačnice. Med bazami dvoverižne molekule v nizu, hidrofobne interakcije, stabilizacijo dvojne vijačnice.
Ta struktura izključuje stik dušikovih ostankov z vodo, vendar sklad baz ne more biti popolnoma navpičen. Osnovni pari so med seboj rahlo zamaknjeni. V oblikovani strukturi se razlikujeta dva utora - velik, širok 2,2 nm, in majhen, širok 1,2 nm. Dušikove baze v območju večjih in manjših utorov medsebojno delujejo s specifičnimi proteini, ki sodelujejo pri organiziranju strukture kromatina.
Terciarna struktura DNA (superzvijanje DNA) Vsaka molekula DNK je zapakirana v ločen kromosom. Človeške diploidne celice vsebujejo 46 kromosomov. Skupna dolžina DNK vseh kromosomov v celici je 1,74 m, vendar je zapakirana v jedro, katerega premer je milijonkrat manjši. Za lociranje DNK v celičnem jedru mora biti oblikovana zelo kompaktna struktura. Kompakcija in superzvijanje DNK se izvajata z uporabo različnih proteinov, ki medsebojno delujejo z določenimi sekvencami v strukturi DNK. Vse beljakovine, ki se vežejo na evkariontsko DNA, lahko razdelimo v 2 skupini: Gisgon in nehistonski proteini. Kompleks proteinov z jedrno DNK celic se imenuje kromatin.
Histoni- beljakovine z molekulsko maso 11-21 kDa, ki vsebujejo veliko ostankov arginina in lizina. Histoni zaradi svojega pozitivnega naboja tvorijo ionske vezi z negativno nabitimi fosfatnimi skupinami, ki se nahajajo na zunanji strani dvojne vijačnice DNA. Obstaja 5 vrst histonov. Štirje histoni H2A, H2B, H3 in H4 tvorijo oktamerni proteinski kompleks (H2A, H2B, H3, H4) 2, ki se imenuje "nukleosomsko jedro"(iz angleščine jedro nukleosoma). Molekula DNA se "zvije" na površino histonskega oktamera in opravi 1,75 obrata (približno 146 nukleotidnih parov). Ta kompleks histonskih proteinov z DNA služi kot glavna strukturna enota kromatina, imenujemo ga "nukleosom". DNK, ki veže nukleosomske delce, imenujemo povezovalna DNK. V povprečju je povezovalna DNK 60 parov nukleotidnih ostankov. Molekule histona H1 se vežejo na DNA v internukleosomskih regijah (linker sekvence) in te regije zaščitijo pred delovanjem nukleaz (slika 4-8).
riž. 4-8. Zgradba nukleosoma.
Osem molekul histonov (H2A, H2B, H3, H4) 2 sestavlja jedro nukleosoma, okoli katerega tvori DNA približno 1,75 obrata. DNK. Aminokislinske ostanke lizina, arginina in terminalne amino skupine histonov je mogoče modificirati: acetilirati, fosforilirati, metilirati ali pa medsebojno vplivati na protein ubikvitin (nehistonski protein). Modifikacije so lahko reverzibilne ali ireverzibilne, spremenijo naboj in konformacijo histonov, kar vpliva na interakcijo histonov med seboj in z DNK. Delovanje encimov, odgovornih za modifikacije, je regulirano in je odvisno od stopnje celičnega cikla. Modifikacije omogočajo konformacijske preureditve kromatina.
Nehistonski kromatinski proteini. Jedro evkariontske celice vsebuje na stotine različnih nehistonskih proteinov, ki vežejo DNK. Vsak protein je komplementaren določenemu zaporedju nukleotidov DNA (mesto DNK). Ta skupina vključuje družino za mesto specifičnih proteinov tipa "cinkov prst" (glejte poglavje 1). Vsak »cinkov prst« prepozna določeno mesto, sestavljeno iz 5 nukleotidnih parov. Druga družina proteinov, specifičnih za mesto, so homodimeri. Fragment takega proteina v stiku z DNA ima strukturo vijačnica-obrat-vijačnica (glej poglavje 1). Skupina strukturnih in regulatornih proteinov, ki so stalno povezani s kromatinom, vključuje proteine visoke mobilnosti ( HMG proteini- iz angleščine, visoko mobilnost gel proteinov). Imajo molekulsko maso manjšo od 30 kDa in zanje je značilna visoka vsebnost nabitih aminokislin. Zaradi nizke molekulske mase imajo HMG proteini visoko mobilnost med elektroforezo v poliakrilamidnem gelu. Nehistonski proteini vključujejo tudi replikacijske, transkripcijske in popravljalne encime. S sodelovanjem strukturnih, regulatornih proteinov in encimov, ki sodelujejo pri sintezi DNK in RNK, se veriga nukleosomov pretvori v visoko kondenziran kompleks proteinov in DNK. Nastala struktura je 10.000-krat krajša od prvotne molekule DNK.
V živem organizmu so tri glavne makromolekule: beljakovine in dve vrsti nukleinskih kislin. Zahvaljujoč njim se ohranja vitalna aktivnost in pravilno delovanje celotnega telesa. Kaj so nukleinske kisline? Zakaj so potrebni? Več o tem v nadaljevanju članka.
splošne informacije
Nukleinska kislina je biopolimer, organska spojina z visoko molekularnostjo, ki jo tvorijo nukleotidni ostanki. Prenos vseh genetskih informacij iz roda v rod je glavna naloga, ki jo opravljajo nukleinske kisline. Spodnja predstavitev bo podrobneje pojasnila ta koncept.
Zgodovina študija
Prvi proučeni nukleotid je bil izoliran iz goveje mišice leta 1847 in imenovan "inozinska kislina". Kot rezultat preučevanja kemijske strukture je bilo ugotovljeno, da je ribozid-5'-fosfat in vsebuje N-glikozidno vez.Leta 1868 je bila odkrita snov, imenovana "nuklein". Odkril ga je švicarski kemik Friedrich Miescher med raziskavami nekaterih bioloških snovi. Ta snov je vključevala fosfor. Spojina je imela kisle lastnosti in se ni razgradila pod vplivom proteolitičnih encimov.
Snov je dobila formulo C29H49N9O22P3.Predpostavka o sodelovanju nukleina v procesu prenosa dednih informacij je bila predstavljena kot posledica odkritja podobnosti njegove kemične sestave s kromatinom. Ta element je glavna sestavina kromosomov.Izraz "nukleinska kislina" je leta 1889 prvič uvedel Richard Altmann. Prav on je postal avtor metode za proizvodnjo teh snovi brez beljakovinskih primesi.Med študijo alkalne hidrolize nukleinskih kislin sta Levin in Jacob identificirala glavne sestavine produktov tega procesa. Izkazalo se je, da so nukleotidi in nukleozidi. Leta 1921 je Lewin predlagal, da ima DNK tetranukleotidno strukturo. Vendar ta hipoteza ni bila potrjena in se je izkazala za napačno.
Razvrstitev
Nukleinske kisline so v dveh vrstah: DNA in RNA. Njihovo prisotnost najdemo v celicah vseh živih organizmov. DNK se nahaja predvsem v celičnem jedru. RNA se nahaja v citoplazmi. Leta 1935 so med mehko fragmentacijo DNA dobili 4 nukleotide, ki tvorijo DNA. Te komponente so predstavljene v kristaliničnem stanju. Leta 1953 sta Watstone in Crick ugotovila, da ima DNK dvojno vijačnico.
Izbirne metode
Za pridobivanje spojin iz naravnih virov so bile razvite različne metode. Glavni pogoji teh metod so učinkovito ločevanje nukleinskih kislin in beljakovin, najmanjša fragmentacija snovi, pridobljenih med postopkom. Danes se klasična metoda pogosto uporablja. Bistvo te metode je uničenje sten biološkega materiala in njihova nadaljnja obdelava z anionskim detergentom. Rezultat je beljakovinska oborina, medtem ko nukleinske kisline ostanejo v raztopini. Uporablja se tudi druga metoda. V tem primeru lahko nukleinske kisline oborimo v stanje gela z uporabo etanola in fiziološke raztopine. Pri tem bodite previdni. Zlasti je treba fiziološko raztopino zelo previdno dodajati etanol, da dobimo oborino gela. V kakšni koncentraciji se sprosti nukleinska kislina, katere nečistoče so v njej, lahko določimo s spektrofotometrično metodo. Nukleinske kisline zlahka razgradijo nukleaze, ki so posebna vrsta encimov. Pri takšni izolaciji je potrebna obvezna obdelava laboratorijske opreme z zaviralci. Sem spada na primer inhibitor DEPC, ki se uporablja pri izolaciji RNA.
Fizične lastnosti
Nukleinske kisline so dobro topne v vodi, vendar so skoraj netopne v organskih spojinah. Poleg tega so še posebej občutljivi na temperaturo in pH. Molekule nukleinske kisline z visoko molekulsko maso lahko fragmentira nukleaza pod vplivom mehanskih sil. Ti vključujejo mešanje raztopine in njeno stresanje.
Nukleinska kislina. Zgradba in funkcije
V celicah najdemo polimerne in monomerne oblike zadevnih spojin. Polimerne oblike imenujemo polinukleotidi. V tej obliki so nukleotidne verige povezane z ostankom fosforne kisline. Zaradi vsebnosti dveh vrst heterocikličnih molekul, imenovanih riboza in deoksiriboza, sta kislini ribonukleinska oziroma deoksiribonukleinska kislina. Z njihovo pomočjo poteka shranjevanje, prenos in izvajanje dednih informacij. Od monomernih oblik nukleinskih kislin je najbolj priljubljena adenozin trifosforna kislina. Sodeluje pri signalizaciji in zagotavljanju zalog energije v celici.
DNK
Deoksiribonukleinska kislina je makromolekula. Z njegovo pomočjo poteka proces prenosa in izvajanja genetskih informacij. Te informacije so potrebne za razvoj in delovanje živega organizma. Pri živalih, rastlinah in glivah je DNK del kromosomov, ki se nahajajo v celičnem jedru, najdemo pa jo tudi v mitohondrijih in plastidih. Pri bakterijah in arhejah se molekula deoksiribonukleinske kisline oprime celične membrane od znotraj. V takih organizmih so prisotne predvsem krožne molekule DNA. Imenujejo se "plazmidi". Po kemijski strukturi je deoksiribonukleinska kislina polimerna molekula, sestavljena iz nukleotidov. Te komponente pa vsebujejo dušikovo bazo, sladkor in fosfatno skupino. Zaradi zadnjih dveh elementov se med nukleotidi tvori vez, ki ustvarja verige. V bistvu je makromolekula DNA predstavljena v obliki spirale dveh verig.
RNA
Ribonukleinska kislina je dolga veriga, sestavljena iz nukleotidov. Vsebujejo dušikovo bazo, ribozni sladkor in fosfatno skupino. Genetske informacije so kodirane z uporabo zaporedja nukleotidov. RNA se uporablja za programiranje sinteze beljakovin. Ribonukleinska kislina nastane med transkripcijo. To je proces sinteze RNK na predlogi DNK. Pojavi se s sodelovanjem posebnih encimov. Imenujejo se RNA polimeraze. Po tem v procesu prevajanja sodelujejo vzorčne ribonukleinske kisline. Tako pride do sinteze beljakovin na matriki RNA. Ribosomi aktivno sodelujejo v tem procesu. Preostale RNA so podvržene kemičnim transformacijam za dokončanje transkripcije. Zaradi nastalih sprememb nastanejo sekundarne in terciarne strukture ribonukleinske kisline. Delujejo glede na vrsto RNA.
Vsebina članka
NUKLEINSKA KISLINA– biološke polimerne molekule, ki hranijo vse informacije o posameznem živem organizmu, ki določajo njegovo rast in razvoj ter dedne lastnosti, ki se prenašajo na naslednjo generacijo. Nukleinske kisline se nahajajo v celičnih jedrih vseh rastlinskih in živalskih organizmov, kar je določilo njihovo ime (lat. . jedro – jedro).
Sestava polimerne verige nukleinskih kislin.
Polimerna veriga nukleinskih kislin je sestavljena iz fragmentov fosforne kisline H 3 PO 3 in fragmentov heterocikličnih molekul, ki so derivati furana. Obstajata samo dve vrsti nukleinskih kislin, vsaka je zgrajena na osnovi ene od dveh vrst takih heterociklov - riboze ali deoksiriboze (slika 1).
riž. 1. ZGRADBA RIBOZE IN DEOKSIRIBOZE.
Ime riboza (iz lat. . Rib - rebro, sponka za papir) ima končnico - ose, kar pomeni, da spada v razred sladkorjev (na primer glukoza, fruktoza). Druga spojina nima OH skupine (hidroksi skupina), ki je v ribozi označena z rdečo barvo. V zvezi s tem se trojna spojina imenuje deoksiriboza, tj. riboza brez oksi skupine.
Polimerna veriga, zgrajena iz fragmentov riboze in fosforne kisline, je osnova ene izmed nukleinskih kislin – ribonukleinske kisline (RNA). Izraz "kislina" v imenu te spojine se uporablja zato, ker ena od kislih skupin OH fosforne kisline ostane nesubstituirana, kar daje celotni spojini rahlo kisel značaj. Če namesto riboze pri tvorbi polimerne verige sodeluje deoksiriboza, potem nastane deoksiribonukleinska kislina, za katero je splošno sprejeta znana okrajšava DNA.
struktura DNK.
Molekula DNK služi kot izhodišče v procesu rasti in razvoja organizma. Na sl. Slika 2 prikazuje, kako sta dve vrsti izmeničnih izhodnih spojin združeni v polimerno verigo; ne prikazuje metode sinteze, temveč načelni diagram sestavljanja molekule DNA.
V končni različici polimerna molekula DNA vsebuje heterocikle, ki vsebujejo dušik, v stranskem okvirju. Pri tvorbi DNK sodelujejo štiri vrste takih spojin, dve sta šestčlenski cikli, dve pa sta kondenzirana cikla, kjer je šestčlenski obroč spojen s petčlenskim (slika 3).
riž. 3. STRUKTURA DUŠIK VSEBUJOČIH HETEROCIKLOV, ki so del DNK
Na drugi stopnji sestavljanja se heterociklične spojine, ki vsebujejo dušik, prikazane zgoraj, dodajo prostim OH skupinam deoksiriboze in tvorijo stranske obeske na polimerni verigi (slika 4).
Molekule adenina, timina, gvanina in citozina, vezane na polimerno verigo, so označene s prvimi črkami imen izvirnih spojin, tj. A, T, G in C.
Sama polimerna veriga DNK ima določeno smer - ko se miselno premikamo po molekuli v smeri naprej in nazaj, se na poti v različnih zaporedjih srečujejo iste skupine, ki sestavljajo verigo. Pri premikanju v eni smeri od enega fosforjevega atoma do drugega je na poti najprej skupina CH 2, nato pa dve skupini CH (atome kisika lahko prezremo); pri premikanju v nasprotni smeri bo zaporedje teh skupin obrnjeno (slika 5) .
riž. 5. ORIENTACIJA POLIMERNE VERIGE DNK. Pri opisu vrstnega reda, v katerem se izmenjujejo vezani heterocikli, je običajno uporabiti neposredno smer, to je od skupine CH 2 do skupin CH.
Sam koncept "smer verige" pomaga razumeti, kako sta dve verigi DNK razporejeni, ko sta združeni, in je tudi neposredno povezan s sintezo beljakovin.
Na naslednji stopnji se združita dve molekuli DNA, nameščeni tako, da sta začetek in konci verige usmerjeni v nasprotnih smereh. V tem primeru sta heterocikla obeh verig obrnjena drug proti drugemu in sta nameščena na nek optimalen način, kar pomeni, da nastanejo vodikove vezi med pari skupin C=O in NH 2 ter med ê N in NH=, ki sta del heterociklov ( cm. VODIKOVA VEZ). Na sl. Slika 6 prikazuje, kako sta obe verigi nameščeni relativno druga proti drugi in kako nastanejo vodikove vezi med heterocikli. Najpomembnejša podrobnost je, da so pari, povezani z vodikovimi vezmi, strogo določeni: fragment A vedno sodeluje z T, in fragment G– vedno z C. Strogo določena geometrija teh skupin vodi do dejstva, da se ti pari zelo natančno prilegajo drug drugemu (kot ključ do ključavnice), par A-T povezana z dvema vodikovima vezema, in par G-C- tri povezave.
Vodikove vezi so opazno šibkejše od običajnih valenčnih vezi, vendar zaradi njihovega velikega števila vzdolž celotne polimerne molekule postane povezava obeh verig precej močna. Molekula DNK vsebuje več deset tisoč skupin A, T, G in C in vrstni red njihovega menjavanja znotraj ene polimerne molekule je lahko drugačen, na primer v določenem delu verige je lahko zaporedje videti takole: - A-A-T-G-C-G-A-T-. Ker so medsebojno delujoče skupine strogo definirane, bo imel nasprotni odsek druge polimerne molekule nujno zaporedje - T-T-A-C-G-C-T-A-. Tako lahko, če poznamo vrstni red razporeditve heterociklov v eni verigi, navedemo njihovo umestitev v drugo verigo. Iz te korespondence izhaja, da je skupno število skupin v dvojni molekuli DNA A enako številu skupin T in število skupin G– količina C(E. Chargaffovo pravilo).
Dve molekuli DNA, povezani z vodikovimi vezmi, sta prikazani na sl. 5 v obliki dveh ravno ležečih verig, v resnici pa sta razporejeni drugače. Prava smer v prostoru vseh vezi, določena z veznimi koti in kontrakcijskimi vodikovimi interakcijami, vodi do določenega upogibanja polimernih verig in rotacije heterociklične ravnine, kar je približno prikazano v prvem video fragmentu na sliki 3b. 7 z uporabo strukturne formule. Celotno prostorsko strukturo je mogoče veliko bolj natančno prikazati le s pomočjo tridimenzionalnih modelov (slika 7, drugi video fragment). V tem primeru nastane kompleksna slika, zato je v navadi uporaba poenostavljenih slik, ki se še posebej pogosto uporabljajo pri prikazu zgradbe nukleinskih kislin oz. beljakovine. Pri nukleinskih kislinah so polimerne verige upodobljene v obliki ploščatih trakov, heterociklične skupine pa A, T, G in C– v obliki stranskih palic ali preprostih valenčnih potez, ki imajo različne barve ali vsebujejo na koncu črkovne oznake ustreznih heterociklov (slika 7, tretji video fragment).
Ko celotno strukturo zavrtimo okoli navpične osi (slika 8), je jasno vidna vijačna oblika dveh polimernih molekul, kot da bi bili naviti na površino valja, to je znana dvojna vijačnica DNA.
S tako poenostavljeno sliko glavna informacija ne izgine - vrstni red menjavanja skupin A, T, G in C, ki določa individualnost vsakega živega organizma, so vsi podatki zabeleženi v štiričrkovni kodi.
Struktura polimerne verige in obvezna prisotnost štirih vrst heterociklov sta enaki za vse predstavnike živega sveta. Vse živali in višje rastline imajo število parov A – T vedno nekaj več kot par G – C. Razlika med DNK sesalcev in DNK rastlin je v tem, da imajo sesalci par A – T po celotni dolžini verige se pojavlja nekoliko pogosteje (približno 1,2-krat) kot par G – C. Pri rastlinah je naklonjenost prvemu paru precej bolj izrazita (približno 1,6-krat).
DNK je ena največjih danes znanih polimernih molekul, pri nekaterih organizmih je njena polimerna veriga sestavljena iz več sto milijonov enot. Dolžina takšne molekule doseže nekaj centimetrov, kar je za molekularne objekte zelo velika vrednost. Ker Ker je presek molekule le 2 nm (1 nm = 10–9 m), lahko njena razmerja primerjamo z več deset kilometrov dolgo železniško progo.
Kemijske lastnosti DNK.
DNK v vodi tvori viskozne raztopine; pri segrevanju takšnih raztopin na 60 °C ali ob izpostavitvi alkalijam dvojna vijačnica razpade na dve sestavni verigi, ki se lahko ponovno združita, če se vrnemo v prvotne pogoje. V rahlo kislih pogojih pride do hidrolize, zaradi katere se fragmenti –P-O-CH 2 delno razgradijo, da nastanejo fragmenti –P-OH oziroma HO-CH 2, kar povzroči nastanek monomernih, dimernih (dvojnih ) ali trimerne (trojne) kisline, ki so členi, iz katerih je sestavljena veriga DNK (slika 9).
riž. 9. FRAGMENTI, PRIDOBLJENI S CEPITVIJO DNK.
Globlja hidroliza omogoča ločitev odsekov deoksiriboze od fosforne kisline, pa tudi skupine G iz deoksiriboze, tj. podrobneje razstaviti molekulo DNK na njene sestavne dele. Pod delovanjem močnih kislin (poleg razgradnje fragmentov –P(O)-O-CH 2 -) pride tudi do cepitve skupin. A in G. Delovanje drugih reagentov (na primer hidrazina) omogoča ločevanje skupin T in C. Bolj občutljiva cepitev DNK na komponente se izvede z uporabo biološkega pripravka - deoksiribonukleaze, izolirane iz trebušne slinavke (konec - aza vedno pomeni, da je snov katalizator biološkega izvora – encim). Začetni del imena je deoksiribonukleaza- označuje, katero spojino ta encim razgradi. Vse te metode cepitve DNK so osredotočene predvsem na podrobno analizo njene sestave.
Najpomembnejša informacija, ki jo vsebuje molekula DNK, je vrstni red menjavanja skupin A, T, G in C, se pridobiva s posebej razvitimi tehnikami. V ta namen je bila ustvarjena široka paleta encimov, ki najdejo v molekuli DNA strogo določeno zaporedje, npr. C-T-G-C-A-G(kot tudi ustrezno zaporedje na nasprotni verigi G-A-C-G-T-C) in ga ločite od verige. To lastnost ima encim Pst I (trgovsko ime, nastalo je iz imena tega mikroorganizma p rovidencia st uartii, iz katerega se pridobiva ta encim). Pri uporabi drugega encima Pal I je možno najti zaporedje G-G-C-C. Nato se primerjajo rezultati, dobljeni z delovanjem širokega spektra različnih encimov po vnaprej razviti shemi, zaradi česar je mogoče določiti zaporedje takih skupin na določenem odseku DNK. Zdaj so takšne tehnike pripeljale do stopnje široke uporabe, uporabljajo se na najrazličnejših področjih, ki so daleč od znanstvenih biokemijskih raziskav, na primer pri identifikaciji ostankov živih organizmov ali ugotavljanju stopnje sorodstva.
Struktura RNA
v mnogih pogledih spominja na DNK, razlika je v tem, da se v glavni verigi fragmenti fosforne kisline izmenjujejo z ribozo in ne z deoksiribozo (sl.). Druga razlika je, da je heterocikel uracila ( U) namesto timina ( T), drugi heterocikli A, G in C enako kot za DNK. Uracil se od timina razlikuje po odsotnosti metilne skupine, vezane na obroč, na sl. 10 je ta metilna skupina označena z rdečo.
riž. 10. RAZLIKA TIMIN OD URACIL– odsotnost metilne skupine v drugi spojini, poudarjeno rdeče v timinu.
Fragment molekule RNA je prikazan na sl. 11, vrstni red skupin A, U, G in C, njihovo količinsko razmerje pa je lahko drugačno.
Slika 11. FRAGMENT MOLEKULE RNK. Glavna razlika od DNK je prisotnost OH skupin v ribozi (rdeča) in fragment uracila (modra).
Polimerna veriga RNK je približno desetkrat krajša od verige DNK. Dodatna razlika je v tem, da molekule RNA niso združene v dvojne vijačnice, sestavljene iz dveh molekul, ampak običajno obstajajo kot ena sama molekula, ki lahko na nekaterih območjih sama s seboj tvori dvoverižne vijačne fragmente, ki se izmenjujejo z linearnimi odseki. V spiralnih regijah je interakcija parov opazovana tako strogo kot v DNK. Pari, povezani z vodikovimi vezmi in tvorijo vijačnico ( A-U in G-C), se pojavijo na tistih področjih, kjer se izkaže, da je razporeditev skupin ugodna za takšno interakcijo (slika 12).
Za veliko večino živih organizmov je kvantitativna vsebnost parov A-U več kot G-C, pri sesalcih 1,5–1,6-krat, pri rastlinah – 1,2-krat. Obstaja več vrst RNA, ki imajo različne vloge v živem organizmu.
Kemijske lastnosti RNA
podobni lastnostim DNA, vendar zaradi prisotnosti dodatnih OH skupin v ribozi in nižje (v primerjavi z DNA) vsebnosti stabiliziranih spiralnih regij so molekule RNA kemično bolj ranljive. Pod delovanjem kislin ali alkalij se glavni fragmenti polimerne verige P(O)-O-CH2 zlahka hidrolizirajo, skupine A, U, G in C lažje odlomijo. Če je treba pridobiti monomerne fragmente (kot tiste na sliki 9), pri tem pa ohraniti kemično povezane heterocikle, uporabimo občutljive encime, imenovane ribonculeaze.
Sodelovanje DNK in RNK pri sintezi beljakovin
– ena glavnih funkcij nukleinskih kislin. Beljakovine so najpomembnejši sestavni del vsakega živega organizma. Mišice, notranji organi, kostno tkivo, koža in lasje sesalcev so sestavljeni iz beljakovine. To so polimerne spojine, ki so v živem organizmu sestavljene iz različnih aminokislin. Pri takem sestavljanju imajo kontrolno vlogo nukleinske kisline, proces poteka v dveh stopnjah, v vsaki od njih pa je odločilna medsebojna usmerjenost dušikovih heterociklov DNA in RNA.
Glavna naloga DNK je shraniti zapisane informacije in jih posredovati v trenutku, ko se začne sinteza beljakovin. V tem pogledu je razumljiva povečana kemična stabilnost DNK v primerjavi z RNK. Narava je poskrbela, da so osnovne informacije čim bolj nedotakljive.
Na prvi stopnji se odpre del dvojne vijačnice, osvobojene veje se razhajajo in v skupinah A, T, G in C, ki se je izkazalo za dostopno, se začne sinteza RNK, imenovana messenger RNA, saj kot kopija iz matrice natančno reproducira informacije, zapisane na razkritem odseku DNK. Nasproti skupine A, ki pripada molekuli DNA, obstaja fragment prihodnje messenger RNA, ki vsebuje skupino U, so vse druge skupine nameščene druga nasproti druge v natančnem skladu s tem, kako se to zgodi med tvorbo dvojne vijačnice DNK (slika 13).
Po tej shemi nastane polimerna molekula messenger RNA, ki vsebuje več tisoč monomernih enot.
Na drugi stopnji se vzorčna DNK premakne iz celičnega jedra v perinuklearni prostor - citoplazmo. Nastalo messenger RNA spremljajo tako imenovane prenosne RNA, ki prenašajo (transportirajo) različne aminokisline. Vsaka prenosna RNA, naložena s specifično aminokislino, se približa strogo določenemu območju messenger RNA; želeno lokacijo zaznamo z istim principom skupinske medsebojne korespondence. A
Pomembna podrobnost je, da se začasna interakcija med sporočilno in prenosno RNK pojavi le v treh skupinah, na primer v triadi C-C-U matrične kisline, je lahko ustrezna le ustrezna trojka G-G-A prenosno RNK, ki zagotovo nosi s seboj aminokislino glicin (slika 14). Enako za triado G-A-U le niz se lahko približa C-U-A, ki prenaša le aminokislino levcin. Tako zaporedje skupin v messenger RNA kaže, v kakšnem vrstnem redu je treba kombinirati aminokisline. Poleg tega sistem vsebuje dodatna regulativna pravila v kodirani obliki; nekatera zaporedja iz treh skupin messenger RNA kažejo, da bi se morala sinteza beljakovin na tej točki ustaviti, tj. je molekula dosegla zahtevano dolžino.
Prikazano na sl. 14 sinteza beljakovin poteka s sodelovanjem še ene - tretje vrste kislin RNK, ki so del ribosomov, zato se imenujejo ribosomske. Ribosom, ki je skupek določenih proteinov ribosomske RNA, zagotavlja interakcijo med sporočilno in prenosno RNA, pri čemer igra vlogo tekočega traku, ki premakne sporočilno RNA en korak po tem, ko je prišlo do povezave dveh aminokislin.
Glavni pomen dvostopenjske sheme, prikazane na sl. 13 in 14 je, da je polimerna veriga proteinske molekule sestavljena iz različnih aminokislin v predvidenem vrstnem redu in strogo po načrtu, ki je bil v kodirani obliki zapisan na določenem odseku DNK. Tako DNK predstavlja izhodišče tega celotnega programiranega procesa.
V procesu življenja se beljakovine nenehno porabljajo, zato se redno razmnožujejo po opisani shemi, celotna sinteza beljakovinske molekule, sestavljene iz več sto aminokislin, poteka v živem organizmu v približno eni minuti.
Prve študije nukleinskih kislin so bile izvedene v drugi polovici 19. stoletja, spoznanje, da so vse informacije o živem organizmu šifrirane v DNK, je prišlo sredi 20. stoletja, struktura dvojne vijačnice DNK je bila vzpostavljena l. 1953 J. Watsona in F. Cricka na podlagi podatkov rentgenske difrakcijske analize, ki je priznana kot največji znanstveni dosežek 20. stoletja. Sredi 70. let 20. stol. Pojavile so se metode za dešifriranje podrobne strukture nukleinskih kislin, nato pa so bile razvite metode za njihovo ciljno sintezo. Danes niso jasni vsi procesi, ki se dogajajo v živih organizmih, ki vključujejo nukleinske kisline, in danes je to eno najhitreje razvijajočih se področij znanosti.
Mihail Levitski
