Miért nevezik a nukleinsavmolekulákat polimer molekuláknak? Nukleinsavak
Egy élő szervezetben három fő makromolekula található: fehérjék és kétféle nukleinsav. Nekik köszönhetően az egész szervezet létfontosságú tevékenysége és megfelelő működése megmarad. Mik azok a nukleinsavak? Miért van rájuk szükség? Erről bővebben a cikk későbbi részében.
Általános információ
A nukleinsav egy biopolimer, nagy molekulájú szerves vegyület, amelyet nukleotidmaradékok képeznek. Az összes genetikai információ nemzedékről nemzedékre történő átvitele a nukleinsavak fő feladata. Az alábbi bemutató részletesebben elmagyarázza ezt a koncepciót.
A tanulmány története
Az első vizsgált nukleotidot szarvasmarha izomzatából izolálták 1847-ben, és „inozinsavnak” nevezték el. A kémiai szerkezet tanulmányozása során kiderült, hogy ez egy ribozid-5′-foszfát és N-glikozidos kötést tartalmaz.1868-ban fedezték fel a „nuklein” nevű anyagot. Friedrich Miescher svájci kémikus fedezte fel bizonyos biológiai anyagok kutatása során. Ez az anyag foszfort tartalmazott. A vegyület savas tulajdonságokkal rendelkezik, és nem bomlik le proteolitikus enzimek hatására.
Az anyag a C29H49N9O22P3 képletet kapta. A nukleinnek az örökletes információ továbbításában való részvételére vonatkozó feltételezést annak eredményeként terjesztették elő, hogy felfedezték kémiai összetételének a kromatinnal való hasonlóságát. Ez az elem a kromoszómák fő alkotóeleme.A „nukleinsav” kifejezést először Richard Altmann vezette be 1889-ben. Ő lett az ezen anyagok fehérjeszennyeződés nélküli előállításának módszerének szerzője, a nukleinsavak lúgos hidrolízisének tanulmányozása során Levin és Jacob azonosította az eljárás termékeinek fő összetevőit. Kiderült, hogy nukleotidok és nukleozidok. 1921-ben Lewin felvetette, hogy a DNS-nek tetranukleotid szerkezete van. Ez a hipotézis azonban nem igazolódott be, és tévesnek bizonyult.
Osztályozás
A nukleinsavak két típusból állnak: DNS és RNS. Jelenlétük minden élő szervezet sejtjében megtalálható. A DNS főként a sejtmagban található. Az RNS a citoplazmában található. 1935-ben a DNS lágy fragmentációja során 4 DNS-képző nukleotidot kaptak. Ezek a komponensek kristályos állapotban vannak bemutatva. 1953-ban Watstone és Crick megállapították, hogy a DNS-nek kettős hélixe van.
Kiválasztási módszerek
Különféle módszereket fejlesztettek ki a vegyületek természetes forrásokból történő előállítására. Ezeknek a módszereknek a fő feltételei a nukleinsavak és fehérjék hatékony szétválasztása, a folyamat során nyert anyagok legkisebb fragmentációja. Ma a klasszikus módszert széles körben alkalmazzák. Ennek a módszernek a lényege a biológiai anyag falainak tönkretétele és anionos detergenssel történő további kezelése. Az eredmény fehérjecsapadék, miközben a nukleinsavak oldatban maradnak. Egy másik módszert is alkalmaznak. Ebben az esetben a nukleinsavakat etanol és sóoldat felhasználásával gél állapotba lehet kicsapni. Ennek során bizonyos óvatossággal kell eljárni. Különösen az etanolt kell nagy körültekintéssel hozzáadni a sóoldathoz, hogy gélcsapadékot kapjunk. Azt, hogy a nukleinsav milyen koncentrációban szabadul fel, milyen szennyeződések vannak benne, spektrofotometriás módszerrel határozható meg. A nukleinsavakat könnyen lebontják a nukleázok, amelyek az enzimek egy speciális osztályát képezik. Ilyen izoláció esetén szükséges, hogy a laboratóriumi berendezéseket kötelező inhibitorokkal kezeljék. Ezek közé tartozik például egy DEPC-inhibitor, amelyet RNS izolálására használnak.
Fizikai tulajdonságok
A nukleinsavak jól oldódnak vízben, de szinte oldhatatlanok szerves vegyületekben. Ezenkívül különösen érzékenyek a hőmérsékletre és a pH-szintre. A nagy molekulatömegű nukleinsavmolekulákat nukleáz mechanikai erők hatására feldarabolhatja. Ezek közé tartozik az oldat összekeverése és rázása.
Nukleinsavak. Felépítés és funkciók
A kérdéses vegyületek polimer és monomer formái megtalálhatók a sejtekben. A polimer formákat polinukleotidoknak nevezzük. Ebben a formában a nukleotidláncokat foszforsav-maradék köti össze. A kétféle heterociklusos molekula, az úgynevezett ribóz és dezoxiribóz tartalma miatt a savak ribonukleinsavak, illetve dezoxiribonukleinsavak. Segítségükkel megtörténik az örökletes információk tárolása, továbbítása és megvalósítása. A nukleinsavak monomer formái közül a legnépszerűbb az adenozin-trifoszforsav. Részt vesz a jelátvitelben és a sejt energiatartalékainak biztosításában.
DNS
A dezoxiribonukleinsav egy makromolekula. Segítségével megtörténik a genetikai információ átvitelének és megvalósításának folyamata. Ezek az információk az élő szervezet fejlődéséhez és működéséhez szükségesek. Az állatokban, növényekben és gombákban a DNS a sejtmagban található kromoszómák része, és megtalálható a mitokondriumokban és a plasztidokban is. Baktériumokban és archaeákban a dezoxiribonukleinsav molekula belülről tapad a sejtmembránhoz. Az ilyen szervezetekben főként cirkuláris DNS-molekulák vannak jelen. Ezeket "plazmidoknak" nevezik. Kémiai szerkezete szerint a dezoxiribonukleinsav nukleotidokból álló polimer molekula. Ezek az összetevők viszont nitrogénbázist, cukrot és foszfátcsoportot tartalmaznak. Az utolsó két elemnek köszönhető, hogy a nukleotidok között kötés jön létre, láncokat hozva létre. Alapvetően a DNS-makromolekula két láncból álló spirál formájában jelenik meg.
RNS
A ribonukleinsav egy hosszú lánc, amely nukleotidokból áll. Nitrogénbázist, ribózcukrot és foszfátcsoportot tartalmaznak. A genetikai információt nukleotidszekvencia segítségével kódolják. Az RNS-t a fehérjeszintézis programozására használják. A ribonukleinsav a transzkripció során keletkezik. Ez az RNS-szintézis folyamata egy DNS-templáton. Speciális enzimek részvételével fordul elő. Ezeket RNS polimerázoknak nevezik. Ezt követően a templát ribonukleinsavak részt vesznek a transzlációs folyamatban. Az RNS-mátrixon így megy végbe a fehérjeszintézis. A riboszómák aktívan részt vesznek ebben a folyamatban. A fennmaradó RNS-ek kémiai átalakuláson mennek keresztül a transzkripció befejezéséhez. A bekövetkező változások eredményeként a ribonukleinsav másodlagos és harmadlagos szerkezete alakul ki. Az RNS típusától függően működnek.
Az Orosz Föderáció Oktatási és Tudományos Minisztériuma
Szövetségi Állami Autonóm Oktatási Intézmény
Felsőoktatás
"KAZANI NEMZETI KUTATÁSI TECHNOLÓGIAI EGYETEM"
ÉLELMISZERTECHNIKAI INTÉZET
ÉLELMISZER BIOTECHNOLÓGIAI TANSZÉK
ABSZTRAKT A TÉMÁBÓL
NUKLEINSAVAK. DNS és RNS
Készítette: Radenko V.
625. csoport M-52
Nukleinsavak - természetes nagy molekulatömegű szerves vegyületek, amelyek biztosítják az örökletes (genetikai) információk tárolását és továbbítását az élő szervezetekben. Minden élő szervezet kétféle nukleinsavat tartalmaz: ribonukleinsavat (RNS) és dezoxiribonukleinsavat (DNS). A legkisebb ismert nukleinsav, a transzfer RNS (tRNS) molekulatömege körülbelül 25 kDa. A DNS a legnagyobb polimer molekula; molekulatömegük 1 000 és 1 000 000 kDa között változik. A DNS és az RNS monomer egységekből - nukleotidokból áll, ezért a nukleinsavakat polinukleotidoknak nevezik.
Nukleotidok szerkezete
Mindegyik nukleotid három kémiailag különböző komponenst tartalmaz: egy heterociklusos nitrogénbázist, egy monoszacharidot (pentózt) és egy foszforsav-maradékot. A molekulában lévő foszforsavmaradékok számától függően nukleozid-monofoszfátokat (NMP), nukleozid-difoszfátokat (NDP) és nukleozid-trifoszfátokat (NTP) különböztetünk meg (4-1. ábra). A nukleinsavak kétféle nitrogénbázist tartalmaznak: purint - adenin(A), guanin(G) és pirimidin - citozin(VAL VEL), timin(T) és uracil(U). A bázisokban lévő atomok számozása a cikluson belül van felírva (4-2. ábra). A nukleotidokban található pentózok vagy ribóz (az RNS-ben) vagy dezoxiribóz (a DNS-ben). A pentózokban kifejezett atomok számának megkülönböztetésére a bázisban lévő atomok számától a felvétel a ciklus külső oldalán történik, és egy prímszámot (") adnak a számhoz - 1", 2", 3", 4" és 5" (4-3. ábra). A pentóz az alaphoz kapcsolódik N-glikozidos kötés, a pentóz (ribóz vagy dezoxiribóz) C 1 atomja és a pirimidin N 1 atomja vagy a purin N 9 atomja alkotja (4-4. ábra). Azokat a nukleotidokat, amelyekben a pentózt ribóz képviseli, ribonukleotidoknak, a ribonukleotidokból felépülő nukleinsavakat pedig ribonukleinsavaknak vagy RNS-nek nevezzük. Azokat a nukleinsavakat, amelyek monomerje dezoxiribózt tartalmaz, dezoxiribonukleinsavaknak vagy DNS-nek nevezzük. Szerkezetük szerint a nukleinsavakat a
Rizs. 4-1. Az adenozin nukleozid mono-, di- és trifoszfátjai. A nukleotidok a nukleozidok foszfor-észterei. A foszforsavmaradék a pentóz 5" szénatomjához kapcsolódik (5" foszfoészter kötés).
Rizs. 4-2. Purin és pirimidin bázisok.
Rizs. 4-3. Pentózok. 2 típusa van - β-D-ribóz az RNS-nukleotidok összetételében és β-D-2-dezoxiribóz a DNS-nukleotidok összetételében.
lineáris polimerek osztálya. A nukleinsavváz szerkezete a molekula teljes hosszában azonos, és váltakozó csoportokból áll - pentóz-foszfát-pentóz- (4-5. ábra). A polinukleotid láncok változó csoportjai nitrogéntartalmú bázisok - purinok és pirimidinek. Az RNS-molekulák közé tartozik az adenin (A), uracil (U), guanin (G) és citozin (C), míg a DNS adenint (A), timint (T), guanint (G) és citozint (C) tartalmaz. A DNS- és RNS-molekulák egyedi szerkezetét és funkcionális egyéniségét elsődleges szerkezetük - a polinukleotid-lánc nitrogénbázisainak szekvenciája - határozza meg.
Rizs. 4-4. Purin és pirimidin nukleotidok.
Rizs. 4-5. DNS-lánc töredéke.
B. A dezoxiribonukleinsav (DNS) szerkezete
A DNS elsődleges szerkezete a dezoxiribonukleozid-monofoszfátok (dNMP) váltakozási sorrendje a polinukleotid láncban. A polinukleotid lánc minden foszfátcsoportja, a molekula 5" végén lévő foszformaradék kivételével, részt vesz két szomszédos dezoxiribóz 3" és 5" szénatomjaiból álló két észterkötés kialakításában, ezért a kötés a monomerek jelölése 3", 5" - foszfodiészter. A DNS terminális nukleotidjai szerkezetük alapján különböztethetők meg: az 5" végén egy foszfátcsoport, a lánc 3" végén pedig egy szabad OH csoport található. A DNS-polimer lánc dezoxiribonukleotidjainak lineáris szekvenciáját általában egybetűs kóddal rövidítik, például -A-G-C-T-T-A-C-A- az 5"-től a 3"-végig.
Minden nukleinsav monomer tartalmaz egy foszforsav maradékot. pH 7-nél a foszfátcsoport teljesen ionizálódik, így in vivo A nukleinsavak polianionként léteznek (több negatív töltéssel rendelkeznek). A pentózmaradékok hidrofil tulajdonságokat is mutatnak. A nitrogénbázisok vízben szinte oldhatatlanok, de a purin- és pirimidingyűrű egyes atomjai képesek képződni hidrogénkötések.
A DNS másodlagos szerkezete. 1953-ban J. Watson és F. Crick javasolta a DNS térbeli szerkezetének modelljét. E modell szerint a DNS-molekula hélix alakú, amelyet két, egymáshoz képest és egy közös tengely körül csavart polinukleotidlánc alkot. Kettős spirál jobbkezes, polinukleotid lánc benne nem párhuzamos(4-6. ábra), i.e. ha az egyik a 3"→5" irányba áll, akkor a második az 5"→3" irányba. Ezért mindkét végén
Rizs. 4-6. DNS kettős hélix.
A DNS-molekulák két antiparallel szálból állnak, amelyek komplementer nukleotidszekvenciával rendelkeznek. A láncok egymáshoz képest jobb oldali spirálba csavarodnak úgy, hogy a molekula egy fordulóján körülbelül 10 pár nukleotid található. A DNS-szálak összes bázisa a kettős spirál belsejében található, a pentóz-foszfát gerinc pedig azon kívül található. A polinukleotid láncokat a komplementer purin és pirimidin nitrogéntartalmú A és T bázisok (két kötés), valamint G és C (három kötés) közötti hidrogénkötések tartják egymáshoz képest (4-7. ábra). Ezzel a kombinációval minden pár három gyűrűt tartalmaz, így ezeknek a bázispároknak a teljes mérete a molekula teljes hosszában azonos.
Rizs. 4-7. Purin-pirimidin bázispárok a DNS-ben.
Hidrogénkötések más báziskombinációkkal egy párban lehetségesek, de ezek sokkal gyengébbek. Az egyik lánc nukleotidszekvenciája teljesen komplementer a második lánc nukleotidszekvenciájával. Ezért Chargaff szabálya szerint (Erwin Chargaff 1951-ben megállapította a purin- és pirimidinbázisok arányát egy DNS-molekulában) a purinbázisok száma (A + G) megegyezik a pirimidinbázisok számával (T + C). . A komplementer alapok a hélix magjában helyezkednek el. Egy kétszálú molekula bázisai között egy halomban, hidrofób kölcsönhatások, stabilizálja a kettős hélixet.
Ez a szerkezet kizárja a nitrogéntartalmú maradékok vízzel való érintkezését, de az alaphalmaz nem lehet teljesen függőleges. Az alappárok kissé el vannak tolva egymástól. A kialakított szerkezetben két horony különböztethető meg - egy nagy, 2,2 nm széles és egy kicsi, 1,2 nm széles. A fő és kisebb barázdák területén lévő nitrogénbázisok kölcsönhatásba lépnek a kromatin szerkezetének megszervezésében részt vevő specifikus fehérjékkel.
A DNS harmadlagos szerkezete (DNS szuperspirálozás) Minden DNS-molekula külön kromoszómába van csomagolva. Az emberi diploid sejtek tartalmaznak 46 kromoszóma. Egy sejtben az összes kromoszóma DNS-ének teljes hossza 1,74 m, de egy olyan magba van csomagolva, amelynek átmérője milliószor kisebb. A DNS lokalizálásához a sejtmagban egy nagyon tömör szerkezetet kell kialakítani. A DNS-tömörítést és a szupertekercselést számos olyan fehérje felhasználásával hajtják végre, amelyek kölcsönhatásba lépnek a DNS-szerkezet bizonyos szekvenciáival. Az eukarióta DNS-hez kötődő összes fehérje 2 csoportra osztható: Gisgon és nem hiszton fehérjék. A fehérjék komplexét a sejtmag DNS-ével kromatinnak nevezik.
Hisztonok- 11-21 kDa molekulatömegű fehérjék, amelyek sok arginint és lizint tartalmaznak. Pozitív töltésük miatt a hisztonok ionos kötéseket képeznek a DNS kettős spirál külső oldalán elhelyezkedő negatív töltésű foszfátcsoportokkal. 5 típusú hiszton létezik. Négy H2A, H2B, H3 és H4 hiszton oktamer fehérjekomplexet alkot (H2A, H2B, H3, H4) 2, amelyet ún. "nukleoszomális mag"(angolról nukleoszóma mag). A DNS-molekula a hisztonoktamer felszínére „kanyarodik”, 1,75 fordulatot (körülbelül 146 nukleotidpárt) teljesítve. Ez a hisztonfehérjékből és DNS-ből álló komplexum a kromatin fő szerkezeti egységeként szolgál "nukleoszóma". A nukleoszómális részecskéket megkötő DNS-t linker DNS-nek nevezik. A linker DNS átlagosan 60 pár nukleotid maradékból áll. A hiszton H1 molekulák az internukleoszómális régiókban (linkerszekvenciák) kötődnek a DNS-hez, és megvédik ezeket a régiókat a nukleázok hatásától (4-8. ábra).
Rizs. 4-8. Nukleoszóma szerkezete.
Nyolc hisztonmolekula (H2A, H2B, H3, H4) 2 alkotja a nukleoszóma magját, amely körül a DNS körülbelül 1,75 fordulatot alkot. DNS. A lizin, arginin aminosavak és a hisztonok terminális aminocsoportjai módosíthatók: acetilezhetők, foszforilálhatók, metilálhatók, vagy kölcsönhatásba léphetnek az ubiquitin fehérjével (nem hiszton fehérje). A módosítások lehetnek reverzibilisek vagy irreverzibilisek, megváltoztatják a hisztonok töltését és konformációját, ami befolyásolja a hisztonok egymással és DNS-sel való kölcsönhatását. A módosításokért felelős enzimek aktivitása szabályozott és a sejtciklus szakaszától függ. A módosítások lehetővé teszik a kromatin konformációs átrendeződését.
Nem hiszton kromatin fehérjék. Az eukarióta sejt magja több száz különféle DNS-kötő nem hiszton fehérjét tartalmaz. Mindegyik fehérje komplementer egy meghatározott DNS-nukleotidszekvenciával (DNS oldal). Ebbe a csoportba tartozik a „cink ujj” típusú helyspecifikus fehérjék családja (lásd az 1. részt). Minden „cink ujj” felismer egy specifikus helyet, amely 5 nukleotidpárból áll. A helyspecifikus fehérjék másik családja a homodimerek. Az ilyen fehérje DNS-sel érintkező fragmense hélix-turn-helix szerkezetű (lásd 1. szakasz). A kromatinhoz folyamatosan kapcsolódó szerkezeti és szabályozó fehérjék csoportjába tartoznak a nagy mobilitású fehérjék ( HMG fehérjék- angolról, nagy mobilitású gélfehérjék). Molekulatömege kisebb, mint 30 kDa, és magas töltött aminosav-tartalom jellemzi őket. Alacsony molekulatömegük miatt a HMG fehérjék nagy mobilitást mutatnak a poliakrilamid gélelektroforézis során. A nem hiszton fehérjék közé tartoznak a replikációs, transzkripciós és javító enzimek is. A DNS és RNS szintézisében részt vevő szerkezeti, szabályozó fehérjék és enzimek részvételével a nukleoszómák szála erősen kondenzált fehérjék és DNS komplexekké alakul. A kapott szerkezet 10 000-szer rövidebb, mint az eredeti DNS-molekula.
A cikk tartalma
NUKLEINSAVAK– biológiai polimer molekulák, amelyek egy élő szervezetre vonatkozó összes információt tárolnak, meghatározzák annak növekedését és fejlődését, valamint a következő generációra átvitt örökletes jellemzőket. A nukleinsavak minden növényi és állati szervezet sejtmagjában megtalálhatók, amelyek meghatározták a nevüket (lat. . mag – mag).
A nukleinsavak polimerláncának összetétele.
A nukleinsavak polimerlánca H 3 PO 3 foszforsav fragmenseiből és heterociklusos molekulák fragmenseiből áll össze, amelyek furán származékai. Csak kétféle nukleinsav létezik, amelyek mindegyike kétféle heterociklus - ribóz vagy dezoxiribóz - alapján épül fel (1. ábra).
Rizs. 1. A RIBÓZ ÉS A DEOXIRIBÓZ SZERKEZETE.
A ribóz név (a lat. . Rib - borda, iratkapocs) végződése - ose, ami azt jelzi, hogy a cukrok osztályába tartozik (például glükóz, fruktóz). A második vegyület nem tartalmaz OH-csoportot (hidroxi-csoport), amely pirossal van jelölve a ribózban. Ebben a tekintetben a hármas vegyületet dezoxiribóznak, azaz oxi-csoporttól mentes ribóznak nevezik.
A ribóz és foszforsav fragmenseiből felépülő polimer lánc az egyik nukleinsav - a ribonukleinsav (RNS) alapja. A „sav” kifejezés ennek a vegyületnek a nevében azért használatos, mert a foszforsav savas OH csoportjai közül az egyik szubsztituálatlan marad, ami az egész vegyületnek enyhén savas karaktert ad. Ha ribóz helyett dezoxiribóz vesz részt a polimerlánc kialakításában, akkor dezoxiribonukleinsav képződik, amelyre általánosan elfogadott a jól ismert DNS rövidítés.
DNS szerkezet.
A DNS-molekula kiindulópontként szolgál a szervezet növekedési és fejlődési folyamatában. ábrán. A 2. ábra azt mutatja be, hogy kétféle váltakozó kiindulási vegyület hogyan kombinálódik polimerláncba, nem a szintézis módszerét, hanem egy DNS-molekula összeállításának elvi diagramját mutatja be.
A végső változatban a polimer DNS-molekula oldalkeretében nitrogéntartalmú heterociklusokat tartalmaz. Négyféle ilyen vegyület vesz részt a DNS képződésében, ezek közül kettő hattagú, kettő pedig kondenzált ciklus, ahol egy hattagú gyűrű egy öttagúhoz fuzionál (3. ábra).
Rizs. 3. A NITROGÉNT TARTALMÚ HETEROCIKLUSOK SZERKEZETE, amelyek a DNS részei
Az összeszerelés második szakaszában a fent bemutatott nitrogéntartalmú heterociklusos vegyületeket hozzáadjuk a dezoxiribóz szabad OH-csoportjaihoz, oldalsó függőket képezve a polimerláncon (4. ábra).
A polimerlánchoz kapcsolódó adenin, timin, guanin és citozin molekulákat az eredeti vegyületek nevének kezdőbetűivel jelöljük, azaz A, T, GÉs C.
A DNS polimer láncának magának van egy bizonyos iránya - ha mentálisan mozog a molekula mentén előre és hátrafelé, ugyanazok a csoportok, amelyek a láncot alkotják, különböző szekvenciákban találkoznak. Az egyik foszforatomtól a másik felé haladva az út mentén először egy CH 2 csoport, majd két CH csoport van (az oxigénatomok figyelmen kívül hagyhatók), ellenkező irányba haladva ezeknek a csoportoknak a sorrendje a következő lesz: fordított (5. ábra) .
Rizs. 5. A DNS POLIMER LÁNCÁNAK IRÁNYULÁSA. A kapcsolt heterociklusok váltakozási sorrendjének leírásánál szokás a közvetlen irányt használni, vagyis a CH2 csoporttól a CH csoportok felé.
Maga a „szálirány” fogalma segít megérteni, hogyan rendeződik el két DNS-szál, amikor kombinálják őket, és közvetlenül kapcsolódik a fehérjeszintézishez is.
A következő szakaszban két DNS-molekulát egyesítenek, és úgy helyezik el, hogy a láncok eleje és vége ellentétes irányba legyen irányítva. Ebben az esetben a két lánc heterociklusai egymással szemben állnak, és valamilyen optimális módon helyezkednek el, ami azt jelenti, hogy hidrogénkötések jönnek létre a C=O és NH 2 csoportpárok, valamint a є N és NH= között, amelyek részét képezik. a heterociklusok közül ( cm. HIDROGÉN KÖTÉS). ábrán. A 6. ábra azt mutatja be, hogy a két lánc hogyan helyezkedik el egymáshoz képest, és hogyan keletkeznek hidrogénkötések a heterociklusok között. A legfontosabb részlet, hogy a hidrogénkötésekkel összekapcsolt párok szigorúan meghatározottak: töredék A mindig interakcióba lép T, és a töredék G– mindig vele C. E csoportok szigorúan meghatározott geometriája oda vezet, hogy ezek a párok rendkívül pontosan illeszkednek egymáshoz (mint a zár kulcsa), egy pár NÁL NÉL két hidrogénkötés köti össze, és a pár G-C- három csatlakozás.
A hidrogénkötések észrevehetően gyengébbek, mint a közönséges vegyértékkötések, de nagy számuk miatt a teljes polimer molekula mentén a két lánc kapcsolata meglehetősen erőssé válik. Egy DNS-molekula több tízezer csoportot tartalmaz A, T, GÉs Cés váltakozásuk sorrendje egy polimer molekulán belül eltérő lehet, például a lánc egy bizonyos szakaszán a sorrend így nézhet ki: - A-A-T-G-C-G-A-T-. Mivel a kölcsönhatásba lépő csoportok szigorúan meghatározottak, a második polimermolekula ellentétes szakaszának szükségszerűen a következő sorrendje lesz: T-T-A-C-G-C-T-A-. Így, ha ismerjük a heterociklusok elrendeződésének sorrendjét egy láncban, jelezhetjük egy másik láncban való elhelyezkedésüket. Ebből a megfeleltetésből az következik, hogy a csoportok teljes száma egy kettős DNS-molekulában A egyenlő a csoportok számával Tés a csoportok számát G- Mennyiség C(E. Chargaff szabálya).
ábrán látható két, hidrogénkötéssel összekapcsolt DNS-molekula. 5 két laposan fekvő lánc formájában, de a valóságban eltérően vannak elrendezve. Az összes kötés valós térbeli iránya, amelyet a kötési szögek és az összehúzódó hidrogénkölcsönhatások határoznak meg, a polimer láncok bizonyos meghajlásához és a heterociklusos sík elfordulásához vezet, ami megközelítőleg az 1. ábra első videórészletén látható. 7 szerkezeti képlet segítségével. A teljes térszerkezetet sokkal pontosabban csak háromdimenziós modellek segítségével tudjuk átadni (7. kép, második videórészlet). Ilyenkor összetett kép keletkezik, ezért szokás leegyszerűsített képeket használni, amelyeket különösen széles körben alkalmaznak a nukleinsavak szerkezetének, ill. fehérjék. A nukleinsavak esetében a polimer láncokat lapos szalagok és heterociklusos csoportok formájában ábrázolják. A, T, GÉs C– oldalrudak vagy egyszerű vegyértékvonások formájában, különböző színűek, vagy a végén a megfelelő heterociklusok betűjeleit tartalmazzák (7. ábra, harmadik videórészlet).
Ha a teljes szerkezetet a függőleges tengely körül elforgatjuk (8. ábra), jól látható két polimer molekula spirális alakja, mintha a henger felületére tekernénk, ez a DNS jól ismert kettős hélixe.
Egy ilyen leegyszerűsített képnél a fő információ nem tűnik el - a csoportosítási váltakozás sorrendje A, T, GÉs C, amely meghatározza az egyes élőlények egyéniségét, minden információt négybetűs kódban rögzítenek.
A polimerlánc szerkezete és négyféle heterociklus kötelező jelenléte az élővilág minden képviselője számára azonos. Minden állatnak és magasabb rendű növénynek van párja A – T mindig valamivel több, mint egy pár G – C. Az emlős DNS és a növényi DNS között az a különbség, hogy az emlősöknek van egy párja A – T a lánc teljes hosszában valamivel gyakrabban fordul elő (körülbelül 1,2-szer), mint a pár G – C. A növények esetében az első pár preferálása sokkal hangsúlyosabb (kb. 1,6-szoros).
A DNS az egyik legnagyobb ma ismert polimer molekula, egyes élőlényekben polimerlánca több száz millió egységből áll. Egy ilyen molekula hossza eléri a több centimétert, ami nagyon nagy érték a molekuláris objektumok esetében. Mert Mivel a molekula keresztmetszete mindössze 2 nm (1 nm = 10-9 m), arányai egy több tíz kilométer hosszú vasúti sínhez hasonlíthatók.
A DNS kémiai tulajdonságai.
Vízben a DNS viszkózus oldatokat képez, 60 °C-ra melegítve vagy lúgoknak kitéve a kettős hélix kétkomponensű láncra bomlik, amelyek újra egyesülhetnek, ha visszatérünk az eredeti körülményekhez. Enyhén savas körülmények között hidrolízis megy végbe, melynek eredményeként a –P-O-CH 2 fragmensek részben lebomlanak, rendre –P-OH, illetve HO-CH 2 fragmensekké, amelyek monomer, dimer (kettős) képződését eredményezik. ) vagy trimer (hármas) savak, amelyek olyan láncszemek, amelyekből a DNS-lánc összeállt (9. ábra).
Rizs. 9. DNS-HASÍTÁSSAL NYERT TÖREDÉKEK.
A mélyebb hidrolízis lehetővé teszi a dezoxiribóz szakaszok elválasztását a foszforsavtól, valamint a csoport G dezoxiribózból, azaz a DNS-molekulát bontsuk szét részletesebben alkotó komponenseire. Erős savak hatására (a –P(O)-O-CH 2 - fragmensek lebontása mellett) csoportok is szétválnak. AÉs G. Más reagensek (például hidrazin) hatása lehetővé teszi a csoportok elkülönítését TÉs C. A DNS finomabb komponensekre történő hasítását a hasnyálmirigyből izolált biológiai készítmény - dezoxiribonukleáz - segítségével hajtják végre (vég - aza mindig azt jelzi, hogy az anyag biológiai eredetű katalizátor - enzim). A név kezdő része az dezoxiribonukleáz- jelzi, hogy ez az enzim melyik vegyületet bontja le. Mindezek a DNS-hasítási módszerek mindenekelőtt annak összetételének részletes elemzésére összpontosítanak.
A DNS-molekulában található legfontosabb információ a csoportok váltakozásának sorrendje A, T, GÉs C, speciálisan kifejlesztett technikákkal nyerik. Ebből a célból számos enzimet hoztak létre, amelyek egy szigorúan meghatározott szekvenciát találnak a DNS-molekulában, pl. C-T-G-C-A-G(valamint a megfelelő sorrend az ellenkező láncon G-A-C-G-T-C), és különítse el a lánctól. Ezzel a tulajdonsággal a Pst I enzim rendelkezik (kereskedelmi név, az adott mikroorganizmus nevéből származik P rovidencia utca uartii, amelyből ezt az enzimet nyerik). Egy másik Pal I enzim használata esetén lehetséges a szekvencia megtalálása G-G-C-C. Ezt követően egy előre kidolgozott séma szerint összehasonlítják a különféle enzimek széles körének hatására kapott eredményeket, aminek eredményeként lehetőség nyílik az ilyen csoportok szekvenciájának meghatározására egy adott DNS-szakaszon. Az ilyen technikák mára a széles körben elterjedt stádiumba kerültek, a tudományos biokémiai kutatástól távol eső területeken is alkalmazzák őket, például élő szervezetek maradványainak azonosítására vagy a rokonság fokának megállapítására.
RNS szerkezet
sok tekintetben a DNS-re emlékeztet, a különbség az, hogy a fő láncban a foszforsav fragmentumok ribózzal váltakoznak, dezoxiribózzal nem (ábra). A második különbség az, hogy egy uracil heterociklus ( U) timin helyett ( T), egyéb heterociklusok A, GÉs C ugyanaz, mint a DNS esetében. Az Uracil abban különbözik a timintől, hogy nincs metilcsoport a gyűrűhöz kapcsolódóan (lásd az 1. ábrát). 10 ez a metilcsoport pirossal van kiemelve.
Rizs. 10. KÜLÖNBSÉG A TIMIN AZ URACILTÓL– a metilcsoport hiánya a második vegyületben, pirossal kiemelve a timinben.
Egy RNS-molekula egy fragmense látható az ábrán. 11, csoportosítási sorrend A, U, GÉs C, és ezek mennyiségi aránya eltérő lehet.
11. ábra. EGY RNS Molekula TÖREDÉKE. A fő különbség a DNS-től az OH-csoportok jelenléte a ribózban (piros) és egy uracil-fragmensben (kék).
Az RNS polimerlánca körülbelül tízszer rövidebb, mint a DNS-é. További különbség, hogy az RNS-molekulák nem két molekulából álló kettős hélixekké állnak össze, hanem általában egyetlen molekulaként léteznek, amely egyes területeken kétszálú spirális fragmentumokat képezhet önmagával, lineáris szakaszokkal váltakozva. A spirális régiókban a párok kölcsönhatása ugyanolyan szigorúan megfigyelhető, mint a DNS-ben. Hidrogénkötésekkel összekapcsolt és hélixet alkotó párok ( A-UÉs G-C), azokon a területeken jelennek meg, ahol a csoportok elrendezése kedvez az ilyen interakciónak (12. ábra).
Az élő szervezetek túlnyomó többségénél a párok mennyiségi tartalma A-U több mint G-C, emlősökben 1,5-1,6-szor, növényekben - 1,2-szer. Az RNS-nek számos típusa létezik, amelyek különböző szerepet töltenek be egy élő szervezetben.
Az RNS kémiai tulajdonságai
hasonlítanak a DNS tulajdonságaira, azonban a ribózban további OH-csoportok jelenléte és a stabilizált helikális régiók alacsonyabb (a DNS-hez képest) tartalma kémiailag sérülékenyebbé teszi az RNS-molekulákat. Savak vagy lúgok hatására a P(O)-O-CH2 polimerlánc fő fragmentumai könnyen hidrolizálódnak, csoportok A, U, GÉs C könnyebben eltörik. Ha monomer fragmentumokat kell előállítani (mint a 9. ábrán láthatók), a kémiailag kapcsolt heterociklusok megtartása mellett finom enzimeket, úgynevezett ribonculázokat használnak.
A DNS és az RNS részvétele a fehérjeszintézisben
– a nukleinsavak egyik fő funkciója. A fehérjék minden élő szervezet legfontosabb alkotóelemei. Az emlősök izmai, belső szervei, csontszövetei, bőre és szőrzete a következőkből áll fehérjék. Ezek olyan polimer vegyületek, amelyek egy élő szervezetben különböző aminosavakból állnak össze. Egy ilyen összeállításban a nukleinsavak irányító szerepet töltenek be, a folyamat két szakaszban megy végbe, és mindegyikben a meghatározó tényező a DNS és az RNS nitrogéntartalmú heterociklusainak kölcsönös orientációja.
A DNS fő feladata a rögzített információk tárolása, és a fehérjeszintézis megkezdésekor történő rendelkezésre bocsátása. Ebből a szempontból érthető a DNS megnövekedett kémiai stabilitása az RNS-hez képest. A természet gondoskodott arról, hogy az alapvető információk a lehető legsérthetetlenebbek legyenek.
Az első szakaszban a kettős hélix egy része kinyílik, a felszabaduló ágak eltérnek, és csoportosan A, T, GÉs C, amely hozzáférhetőnek bizonyult, megkezdődik az RNS szintézise, amelyet hírvivő RNS-nek neveznek, mivel a mátrix másolataként pontosan reprodukálja a feltárt DNS-szelvényen rögzített információkat. A csoporttal szemben A, amely a DNS-molekulához tartozik, ott van a csoportot tartalmazó leendő hírvivő RNS egy fragmentuma U, az összes többi csoport egymással szemben helyezkedik el pontosan annak megfelelően, hogy ez hogyan történik a DNS kettős hélix kialakulása során (13. ábra).
E séma szerint a hírvivő RNS polimer molekulája képződik, amely több ezer monomer egységet tartalmaz.
A második szakaszban a templát DNS a sejtmagból a perinukleáris térbe - a citoplazmába - mozog. Az így létrejövő hírvivő RNS-t úgynevezett transzfer RNS-ek kísérik, amelyek különféle aminosavakat szállítanak (transzportálnak). Minden egyes specifikus aminosavval feltöltött transzfer RNS megközelíti a hírvivő RNS egy szigorúan meghatározott régióját; a kívánt helyet a csoportok közötti megfelelés azonos elve alapján detektálják. A
Fontos részlet, hogy a hírvivő és a transzfer RNS közötti átmeneti kölcsönhatás csak három csoportban, például a triádban fordul elő. C-C-U mátrixsav, csak a megfelelő hármas lehet megfelelő G-G-A transzfer RNS-t, amely minden bizonnyal magában hordozza a glicin aminosavat (14. ábra). Ugyanígy a triád esetében is G-A-U csak egy készlet közelíthet meg C-U-A, csak a leucin aminosavat szállítja. Így a hírvivő RNS-ben a csoportok sorrendje jelzi, hogy az aminosavakat milyen sorrendben kell kombinálni. Ezenkívül a rendszer kódolt formában további szabályozási szabályokat is tartalmaz, a hírvivő RNS három csoportjából származó szekvenciák azt jelzik, hogy a fehérjeszintézisnek ezen a ponton le kell állnia, pl. a molekula elérte a szükséges hosszúságot.
ábrán látható. A fehérjeszintézis egy másik - a harmadik típusú RNS-sav részvételével megy végbe; ezek a riboszómák részét képezik, ezért riboszómálisnak nevezik őket. A riboszóma, amely bizonyos riboszómális RNS-fehérjék együttese, biztosítja a hírvivő és a transzfer RNS kölcsönhatását, egy szállítószalag szerepét töltve be, amely két aminosav összekapcsolódása után egy lépéssel mozgatja a hírvivő RNS-t.
ábrán látható kétlépcsős séma fő jelentése. A 13. és 14. ábrán látható, hogy egy fehérjemolekula polimerláncát különböző aminosavakból állítják össze a kívánt sorrendben és szigorúan a DNS egy bizonyos szakaszára kódolt formában felírt terv szerint. Így a DNS jelenti ennek az egész programozott folyamatnak a kiindulópontját.
Az életfolyamat során a fehérjéket folyamatosan fogyasztják, ezért a leírt séma szerint rendszeresen szaporodnak; egy élő szervezetben körülbelül egy percen belül egy több száz aminosavból álló fehérjemolekula teljes szintézise zajlik le.
Az első nukleinsav-vizsgálatokat a 19. század második felében végezték, a XX. század közepén jött létre a felismerés, hogy az élő szervezetről minden információ kódolva van a DNS-ben, a DNS kettős hélixének szerkezete 2008-ban alakult ki. 1953. J. Watson és F. Crick az adatok röntgendiffrakciós elemzése alapján, amely a 20. század legnagyobb tudományos vívmánya. A 20. század 70-es éveinek közepén. Megjelentek a nukleinsavak részletes szerkezetének megfejtésére szolgáló módszerek, majd ezek után célzott szintézisük módszereit dolgozták ki. Ma már nem minden, az élő szervezetekben végbemenő, nukleinsavak bevonásával zajló folyamat egyértelmű, ma ez a tudomány egyik legintenzívebben fejlődő területe.
Mihail Levitszkij
