Нуклеин қышқылдарының биологиялық функциясы

Тақырыбы: нуклеин қышқылдарының Биологиялық функциясы

Воронеж 2011ж.

Кіріспе

Термин нуклеин қышқылының ұсынылды неміс химик Р. Альтманом » 1889г кейін бұл қосылыстар ашылды 1868г. швейцария дәрігер Ф. Мишером. Ол экстрактировал жасушалары іріңді пневмококка разбавленной тұз қышқылымен бірнеше апта ішінде алды ұшады дерлік таза ядролық материал, атай оны нуклеином (лат. nucleus — ядро). Өздерінің қасиеттері бойынша нуклеин күрт ерекшеленген белоктар: ол қышқыл, көздеген күкірт, фосфор көп. Нуклеин жақсы растворялся «щелочах, бірақ растворялся» сұйылтылған қышқылдарда.

Кейіннен жануарлар, өсімдік объектілерін және микроорганизмдер бөлініп, әр түрлі нуклеин қышқылдары. Олардың ең жақсы қайнар көзі болып шықты жасушалары бар үлкен ядро.

Химиялық нуклеин қышқылының білдіреді биополимерлер тұратын мономерных буындарының — нуклеотидтер. Әрбір нуклеотид құрамында үш түрлі компонент: азотистое (пуриновое немесе пиримидиновое) негіз, моносахарид пентозу (рибозу немесе дезоксирибозу) (Rb), фосфор қышқылының қалдығы (P). Көрсеткендей ерекше гидролизі (қышқыл, сілтілі), сондай-ақ гидролизі ферменттермен-нуклеазами, бұл компоненттер қосылған, бір-бірімен осындай ретпен: азотистое негізі — пентоза — фосфат. Көрші нуклеотидтер бір-бірімен арқылы эфирлік арасындағы байланыс моносахаридом және фосфатпен басқа нуклеотида.

Өйткені қалдығы пентозы мен фосфат қосылған эфирлік байланыспен, онда білім полинуклеотидной тізбектері байланыс Rb-P-Rb деп аталады фосфодиэфирной.

Азотты негіздер қатыспайды білім басқа ешқандай ковалентных байланыстарды, басқа байланыстыратын олардың қалдықтарымен пентозы сахарофосфатной тізбектері. Дәл реті азотты негіздердің полинуклеотидной тізбегін анықтайды бірегей құрылымы және спецификалық функцияны молекулалардан нуклеин қышқылдары.

Гидролизі нуклеин қышқылдарының бөлінген ядролардың жасушаларының көрсеткендей, олар тұрады пурин (аденина, гуанина) және пиримидиндік (цитозина, тимина) негіздер, 2-дезоксирибозы және фосфор қышқылы. Бұл нуклеин қышқылы аталды дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНҚ). Бірі ашытқы алынған басқа химиялық құрамы нуклеин қышқылы қамтитын орнына тимина урацил орнына дезоксирибозы рибозу. Оны атады рибонуклеиновой қышқылы (РНҚ).

Биологиялық функциясы нуклеин қышқылдарының қалды белгісіз ішінде шамамен жүз. Тек 40-х гг. ХХв. О. Т . Эвери, К. Мак-Леод және М. Мак-Карти орнатты, бұл биополимерлер жауапты сақтауға, репликациясын бұзады (ойнату), транскрипция (беруді) және те (ойнату белок) генетикалық (тұқым қуалайтын). Бұл 1953 ж., кезде Дж. Уотсон және Ф. Крик деп хабарлады талдамасы туралы молекулалық ДНҚ құрылымын, биохимия және жалпы биология басталғанға есептеу жаңа дәуір таным тірі материя.

1. Әдебиеттерге шолу 1.1. Құрылымы нуклеотидтердің
Митохондриялар негіз бар келесі құрылымы

Өзі пурин емес, нуклеотидтердің құрамына кіреді, ал кіреді оның туындылары – аденин (А), немесе 6-аминопурин, және гуанин (G), немесе 2-амино-6-оксипурин.

Пиримидиновые азотты негіздері бар келесі құрылымы

Пиримидин сондай-ақ, нуклеотидтердің құрамына кіреді, ал кіреді оның туындылары — урацил (U), немесе 2,4-диоксипиримидин, тимин (Т), немесе 5-дәрі дәрмектер метилурацил, цитозин (С), немесе 2-окси-4-аминопиримидин.

Құрамында ДНҚ және РНҚ кездесетін аса сирек кездесетін азотты негіздер, мысалы, 5-метилцитозин, 4-тиоурацил және дигидроурацил; олар алды атауы минорных негіздер.

Құрамына ДНҚ кіреді -D-2-дезоксирибоза, құрамына РНҚ — -D-рибоза. Және сол және басқа жағдайда бұл монозы болып табылады пентозой (бес көміртекті атомдар), айырмашылықтар қатысты ғана екінші көміртегі атомы. «Рибозе көміртек-2 байланысты ОЛ-тобы, ал дезоксирибозе жерде ОЛ-тобы Н, осыдан префикс «дезокси». Әріптер мен D көрсетеді ерекше конфигурациясы кезінде атомах С-1′-4′ фуранозного цикл:

Нуклеозидтер — қосылыстар, онда митохондриялар немесе пиримидиновые негіздер байланысты рибозой (рибонуклеозиды) немесе дезоксирибозой (дезоксирибонуклеозиды). Нуклеозидтер жатады, N-гликозидам: атом-1′ рибозы немесе дезоксирибозы байланысты N-9 пуринового немесе N-1 пиримидинового негіздері:

Аденозин 2′-дезоксиаденозин

Құрамында ДНҚ және РНҚ кіреді мынадай нуклеозидтер.

ДНК

Аденин + дезоксирибоза = дезоксиаденозин.

Гуанин + дезоксирибоза = дезоксигуанозин.

Цитозин + дезоксирибоза = дезоксицитидин.

Тимин + дезоксирибоза = дезокситимидин.

РНҚ

Аденин + рибоза = аденозин.

Гуанин + рибоза = гуанозин.

Цитозин + рибоза = цитидин.

Урацил + рибоза = уридин.

Сонымен, жоғарыда аталған басты нуклеозидов кездеседі және минорлық нуклеозидтер, олардың ішінде неғұрлым таралған дигидроуридин, псевдоуридин; соңғы жоқ қарапайым N-гликозидная байланыс: онда атом-1′ рибозы соединен с атомом С-5 урацила.

Нуклеозидтер жақсы растворимы суда қарағанда, бастапқы азотты негіздер. Олардың оңай бөлуге болады және сәйкестендіруге әдісімен қабатты хромотография. Олар төзімді болуға щелочам, бірақ оңай гидролизуются қышқылдары, сондай-ақ ферментом нуклеозидазой.

Нуклеотидтер білдіреді нуклеозидтер қосылған эфирлік байланыспен қалдық рибозы немесе дезоксирибозы фосфатной тобы. Білім беру байланыс қатысады 5′-көміртегі атом пентозы. Байланысты құрылыстар пентозы барлық нуклеотидтер бөлуге болады рибонуклеотиды және дезоксирибонуклеотиды:

Аденозин-5′-монофосфат және 2′-Дезоксиаденозин-5′-монофосфат

Санына қалдықтарынан фосфор қышқылы нуклеотидтер болып бөлінеді нуклеозид-5′-монофосфаты, нуклеозид-5′-дифосфаты және нуклеозид-5′-трифосфаты. Негізінен нуклеозид мүмкін фосфорилирован дейін тетрафосфата.

Төменде келтірілген атаулар мен қысқартылған белгілер нуклеотидтердің:

Атауының Қысқартылған белгілер

Рибонуклеотиды

Аденозинмоно-, ди-, трифосфат АМР, АDР, АТР

Гуанозинмоно-, ди-, трифосфат GМР, GDР, GТР

Цитидинмоно-, ди-, трифосфат ҚМЖ, СDР, СТР

Уридинмоно-, ди-, трифосфат UМР, UDР, UТР

Дезоксирибонуклеотиды

Дезоксоаденозинмоно-, ди-, трифосфат dАМР, dАDР, dАТР

Дезоксигуанозинмоно-, ди-, трифосфат dGМР, dGDР, dGТР

Дезоксицитидинмоно-, ди-, трифосфат dСМР, dCDР, dCТР

Дезокситимидинмоно-, ди-, трифосфат dТМР, dTDР, dTTP

Бұл номенклатурасы нуклеотидтердің қарайды, олардың фосфорлы эфирлері. Сол уақытта болуы арқасында қышқылды фосфатной тобының ыңғайлы қарауға нуклеозидмонофосфаты ретінде қышқылды туындылары бастапқы нуклеозидов, мысалы, адениловая, уридиловая, гуанидиловая, цитидиловая қышқылы.

Нуклеотидтер — күшті қышқылдар, өйткені фосфор қышқылының қалдығы кіретін, олардың құрамы, қатты диссоциирован. РН 7,0 бос нуклеотидтер жасушаларында орналасқан негізінен нысан

R —рибоза—

мұндағы R—азотистое негізі.

Бірегей биохимиялық функциялары нуклеотидтер. Ретінде негізгі атап өтуге болады мынадай:

1) құрылыстық блоктары болып табылады нуклеин қышқылдарының (ДНҚ және РНҚ); қатысады молекулалық механизмдері көмегімен

олардың генетикалық ақпарат сақталады, реплицируется және транскрибируется;

2) маңызды рөл атқарады, энергетикалық (фосфорном) алмасу, шоғырландыру және ауыстыру энергия;

3) қызмет етеді агонами (коферментами және белсенді простетическими топтармен) тотығу-тотықсыздану ферменттер;

4) маңызды рөл атқарады синтезі олиго — және полисахаридтердің, майлар.

Осылайша, нуклеотидтер — әмбебап биомолекулы, болашақ іргелі рөл зат және энергия алмасуы-тірі жасушалар.

1.2. Бастапқы құрылымы полинуклеотидов
ДНҚ және РНҚ білдіреді полинуклеотиды бар үш деңгейлі құрылым: бастапқы, екінші, третичную.

Ерекшелігі нуклеин қышқылдарының анықталады ғана емес, олардың нуклеотидным құрамы, бірақ-әрекеттің жекелеген нуклеотидтер тізбегінде нуклеин қышқылдары. Құрамына ДНҚ кіреді барлығы 4 нуклеотида, бірақ ескере отырып, өте жоғары молекулалық салмағы ДНК, қиын емес беруге, бұл әр түрлілігі, оның типтері көрінеді шын мәнінде астрономиялық сандармен ауыстырылсын. Мысалы, егер біз алайық тізбегін тұратын тек 100 нуклеотидтер болса, онда, әлбетте, ол салынған болуы мүмкін 4 тәсілдермен.

Анықталғаны, ДНК әрбір белгілі бір түріне сипатталады тек оған тән ерекшелігі-қимылдардың нуклеотидтер.

Сур.1 Схемалық бейнесі фрагменті полинуклеотида

Полинуклеотиды тұрады нуклеотидтер, америка құрама фосфорноэфирными байланыстарымен қатысуымен 3′- 5′- көміртегі атомдар пентозных қалдықтарын екі көршілес нуклеотидтердің. Ұзын полинуклеотидные тізбектің құрамында мыңдаған, миллиондаған нуклеотидных қалдықтары. Фосфатты топ тізбегіндегі ие сильнокислыми қасиеттері және рН 7,0 толық ионизированы. Сондықтан, тірі жасушаларында нуклеин қышқылы бар түрінде полианионов. Нуклеин қышқылының нашар растворимы ерітінділерде қышқыл. Олар экстрагируются бірі бұзылған тіндер мен жасушалардың ерітінділермен бейтарап тұздардың немесе фенол.

1.3. Екіншілік және үшіншілік құрылымы-ДНҚ —
Ерітінділер ДНК сипатталады аномальной (құрылымдық) тұтқырлығы. Толқынында ие қос лучепреломлением, бұл түсіндіріледі ұзартылған нысаны молекулалардың ДНК.

«Талдамасын ДНК құрылымының үлкен үлес қосты зерттеулер Э. Чаргаффа және оның қызметкерлері (1945-1951 жж.). Бөлу үшін негіз кезінде алынған кислотном гидролиз ДНК, Э. Чаргафф пайдаланған әдіс хроматография. Әрбір осы негіздер анықталған болатын спектрофотометрически. Ол алғаш рет айқын деп ДНҚ ие айқын түрлік спецификалы. ДНҚ бөлінген түрлі көздерден бір-бірінен ара-қатынасы бойынша олардың құрамына кіретін азотты негіздер. Э. Чаргафф белгілеп берді заңдылықтары құрамы ДНК атауымен белгілі ережелерін Чаргаффа. Қарамастан текті ДНК-бұл заңдылықтар ұсынылады мынадай:

1) саны молекулалардың аденина санына тең молекулалардың тимина (А = Т);

2) молекулалардың саны гуанина санына тең молекулалардың цитозина (G)=;

3) саны молекуласы пуринді негіздердің санына тең молекулалардың пиримидиндік негіздердің (А + G = Т + С);

4) саны негіздер 6-аминогруппами тізбегіндегі ДНҚ санына тең негіздер 6-гидроксигруппами (А + С = G + Т);

5) қарым-қатынас (G+С)/(А+Т) күрт ерекшеленеді үшін әр түрлі ДНК, бірақ тұрақты үшін жасушалар бір түрі; бұл қатынасы деп аталады фактор ерекшелігін.

Фактор ерекшелігін үшін бірдей ДНК әр түрлі органдар мен тіндерді бір ағза және іс жүзінде ешқандай айырмашылығы жоқ әр түрлі жануарлар мен өсімдіктер түрлерін бір сынып. Біз жоғары өсімдіктер мен жануарлардың, оның шамасы шегінде орналасқан 0,55—0,93; бактериялар — 0,35—2,73.

Ережесі Чаргаффа шешуші роль атқарғанын әзірлеу мәселелерін молекулалық биология. Олар негізіне ашу ДНҚ құрылыстың, оның екінші реттік құрылымы.

Кіріспес бұрын, қарастыру, осы құрылымдар, келесіні атап өту қажет. Қызығушылық зерттеу мәселесіне ДНҚ өсті байланысты толық айқын болмауына тетігін ойнату (репликация) ДНК, ол ерекшеленеді өте жоғары дәрежесімен. Негізінде қазірдің өзінде алынған эксперименттік деректер деп болжанған болатын генетикалық ақпарат тірі клеткадағы зашифрована (т. е. бұрыштарды арқылы белгілі бір код) спецификалық жүйелілігі негіз-ДНК. Алайда, түсініксіз, қалай ойналады мұндай дәйектілігі.

1953 ж. Дж. Уотсон және Ф. Крик ұсынды ДНҚ құрылымының моделі (сур.2). Ол ескерді рентгеноструктурные деректері Р. Франклин және М. Уилкинса және «эквимолярность» негіздер ашық Э. Чаргаффом. Моделі Қабылдады — Крика ғана емес түсіндірді физика-химиялық қасиеттері ДНҚ және дала негізі болжам айту мүмкіндігі туралы репликация механизмі ДНҚ. Сәйкес оларды шығару, молекула ДНК тиіс двухцепочечной. Әрбір негізі бір тізбек «спарено» жатқан сол жазықтықта негіз екінші полинуклеотидной тізбектері. Бұл спаривание специфично; өйткені саны негіздер бастап гидроксигруппами санына тең негіздер бастап аминогруппами, онда, Уотсону және Крику, тек белгілі бір жұп негіздердің құрамына кіреді, сондықтан құруы мүмкін бір-бірімен сутегі байланысы. Өйткені аденин құрамында аминогруппу, ал тимин — гидроксигруппу, цитозин және гуанин—, тиісінше, осы топтың өйткені олар ДНҚ-ның эквимолекулярных мөлшерде болса, рұқсат етілген болып табылады және тек жұп А-Т және G-

Сур.2. Қосылымы және бу аденина және тимина, цитозина және гуанина молекуласындағы ДНК көмегімен сутегі байланыстары

Арасындағы А және Т түзілетін екі сутекті байланыс, G және — үш сутекті байланыс.

Екі полинуклеотидные тізбек ДНК ерекшеленеді бір-бірінен қалай-қимылдардың негіздерін, сондай-ақ нуклеотидным құрамы. Алайда, негіздері, тұрған осы ережеде бір тізбегін анықтайды табиғатты негіздері екінші тізбектің. Мысалы, егер бір тізбекте тұр аденин болса, онда оған қарама-қарсы басқа тізбектер орналасады тимин, және керісінше. Егер бір тізбекте тұр гуанин, онда басқа міндетті цитозин, және керісінше. Шын мәнінде, рентгенқұрылымдық анализ ДНК көрсеткендей, пиримидиндік жəне пуримидиндік негіздері нуклеотидных қалдықтарының ДНК жатыр бір жазықтықта перпендикуляр бойлық ось молекулалары, ал циклдар дезоксирибозы орналасқан жазықтықта дерлік перпендикуляр той болып жатыр циклдар негіздер.

Құбылыс, ол кезде реті негіздердің бір тізбектің бір мәнді анықтайды дәйектілігі негіздері екінші тізбектің атауына ие болды комплементарности. Осылайша, тізбектің молекулалардың ДНК комплементарны бір-біріне қатысты.

Қисынға келтірілген Уотсонмен және Айқайлап принципі комплементарности явился әмбебап принципі биология. Ол берді дамуына бастау болып, жаңа ғылыми бағыты — молекулалық биология, молекулалық генетика, гендік инженерия. Сутекті байланыстар қамтамасыз етеді тәсілі шағылысу негіздер тұрақтылық двухцепочечной. Негіздер тығыз буып-түйілген, әрі орталықтары арасындағы ара қашықтық негіздер, ауыр бір біріне үстінен, басқа сияқты 0,34 нм. Әрбір толық бағдары қос спираль тиесілі 10 нуклеотидных жұп. Буып-түйілген ішіндегі қос спираль негіздері гидрофобны және қолжетімсіз молекулам су. Ионизированные фосфатты топтар және гидрофильді қалдықтары дезоксирибозы орналасқан бетіндегі молекулалар мен байланысады байланысты молекулалар су. Осылайша, қос спираль тұрақталды ғана емес, водородными байланыстар арасындағы комплементарными негіз, бірақ және гидрофобтық взаимодействиями арасындағы негіз бойында орналасқан, ұзын осіне ДНК молекулалары. Жоғары дәрежелі упорядоченности макромолекулалардың ДНК, оны кейде деп те атайды апериодическим одномерным кристалл.

Сур.3 Макромолекулярная ДНҚ құрылымы

Кезінде рентгенографическом зерттеу бастардың сперматозоидтардың сонда осындай дифракциялық көрінісі, және адамның ДНҚ-сын, т. е. спираль Қабылдады—Крика байқалады тікелей тірі жасушаларында.

ДНҚ құрылыстың үлгісі қазіргі уақытта жалпыға танымал болып табылады. Үшін талдамасын ДНҚ Дж. Уотсону, Ф. Крику және М. Уилкинсу 1962 жылы Нобель сыйлығы тағайындалды.

Үшіншілік құрылымы-ДНҚ түзіледі, нәтижесінде қосымша бұрау, өру кеңістікте двухцепочечной молекулалар. Ол түрі суперспирали немесе иілген (сынған) қос спираль.

Қазіргі уақытта сипатталған үш нысаны ДНҚ құрылымын: А-, В — және Z-нысаны (сур.4). Параметрлері моделін Қабылдады—Крика сәйкес келеді конформации ДНК физиологиялық жағдайда (В-нысан ДНК). Алайда шарттарын өзгерту кезінде ортаның қос спираль қабылдай алады басқа да нысандары. Осылайша азайту кезінде ылғалдылығы (препарат үлгідегі рентгенді құрылымдық талдау) ДНК ауысады А-нысаны. Бұл көшу байланысты өзгеруіне конформации қалдықтары дезоксирибозы, азайтуға арасындағы қашықтық фосфатными топтары сахарофосфатного тордың. Арасындағы қашықтық буымен нуклеотидтердің осінің бойымен спираль тең 0,34 нм » уотсон-криковской моделін азаяды (шамамен 0,25 нм кезінде 11 нуклеотидных қалдықтары бір сатысы спираль). Диаметрі спираль артады; өзгертеді ені мен тереңдігі бороздок; комплементарные жұп азотты негіздер құрайды с осі спираль бұрышы-20°, және, ең бастысы, олар смещаются периферияға спираль. Сондықтан қос спираль ұқсас пологую винтовую баспалдақты ішінде оған туындайды қуысына диаметрі 0,40 нм.

Көшу молекулалар ДНК-ның В -, А-үлгіні жүзеге асыруға болады төмендеген кезде судың белсенділігін ерітіндісінде (енгізу кезінде оған органикалық еріткіш, мысалы, этанол). Пікір бар, бұл нысаны білдіреді жеңіл алғандығы аралық нысаны екі немесе одан көп санының конформаций. Ерекшеліктерінің бірі-нысанды деп аталатын » ‘-нысаны болып табылады қабілеті өзгертуге ДНҚ молекуласындағы ереже екі тізбектерінің кері. Сонымен қатар, нысаны болуы мүмкін түрінде ретінде оң және сол жақ спираль.

Дегенмен астам тұрақты А — және В-нысандары болып табылады правозакрученные спираль бар өте тұрақты және левозакрученные спиральді ДНК. Осындай бір спираль алынды 1979 г. А. Ричем. -Кездейсоқ зигзагообразного иілу сахарофосфатного тордың ол аталды Z-нысаны (сур.4). Жиі қайталанатын бірлік Z-нысан ДНК қамтиды екі жұп нуклеотидтер, ал, бір ғана емес, — және Ал-нысандары. Осының салдарынан қосатын сызық фосфатты топ, әрбір екі жұп нуклеотидтер бар қирауға қабылдайды зигзагообразный түрі. Салыстырғанда В-нысаны сол жақ Z-нысан күрт өзгерді сипаты стэкинга негіздер: күшті және әлсіз межплоскостные өзара іс-қимыл, сондай-ақ, кезектесіп орналасқан. Z-нысаны мүмкін өтуге в-нысаны төмендеуі кезінде ерітіндінің иондық күш, этанол қосу. Алайда, мәселе бар екендігі туралы Z-ДНҚ формалары in vivo және оның биологиялық рөлі ақырына дейін түрде айқындалған. Пікір айтылуда, бұл көшу правозакрученной нысанның левозакрученную бола алады реттеуші сигналы, бақылаушы экспрессию гендердің.

Сур.4. B — және Z-формалары ДНҚ құрылымын

1.4. Физика-химиялық қасиеттері ДНҚ
ДНК — өте күшті многоосновная қышқылы, толық ионизированная рН 4,0. Фосфатты тобы орналасқан аумақ. Олар берік байланыстырады иондары Са және Мд, аминдер, гистоны — оң зарядталған белоктар. Тұрақтылық комплементарных жұп негіздер тәуелді рН шамасын. Жұп негіздер барынша төзімді болуға аралығында рН 4,0—11,0. Оның сыртында двухцепочечная спираль, ДНК жоғалтады тұрақтылық және раскручивается.

Молекулалық салмағы ДНК неодинакова және көзіне, оны алу. Оның үстіне, тіпті ең мұқият және щадящих рәсімдер ДНҚ бөліп алу ұшырайды кейбір тозу. Препараттар, алынған қазіргі заманғы әдістермен маталардан жануарлар мен өсімдіктер бар, молекулалық массасы 6 10-10 10. Алайда, шынайы молекулалық салмағы ДНК-жануарлар мен өсімдіктердің белгілі бір тұтқырлығы және ұзындығы бойынша молекулалардың айтарлықтай жоғары жетеді ондаған миллиард.

Көптеген вирустардың ДНК білдіреді қосарлап спираль, сызықтық немесе тұйықталған сақина. Кейбір вирустардың ол білдіреді бір полинуклеотидную тізбегі, тұйықталған сақина және бар салыстырмалы түрде шағын молекулалық массасы — 2 10. ДНК-ны салыстырмалы түрде оңай деполимеризуется әсерінен кейбір химиялық қосылыстар, ультрадыбыс, иондаушы және ультракүлгін радиация. Қыздыру ерітінділерді ДНК дейін температура 70-80 °С, сондай-ақ олардың подщелачивание тудырады денатурацию ДНК, заключающуюся да балқытуға қос спираль (қирату сутекті байланыстар және орындалған өзара іс-қимылдарының), және алшақтық полинуклеотидных тізбектер. Денатурация жүреді төмендеуіне ерітіндінің тұтқырлығын арттыруға, сіңіру ультракүлгін облысы, өсуіне теріс үлес жазықтықта айналу поляризация света артуымен, жүзбелі тығыздығын анықтау, үлгілерді ДНК. Өсуі светопоглощения кезінде жарық 260 нм деп аталады гипохромным әсері; бұл маңызды өлшемі денатурации ДНК, ол бойынша бақылауға болады бұл процесс.