Раздел 1

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

1.2. Молекулярно-генетический и клеточный уровни организации жизни

1.2.3. Наследственный аппарат еукаріотичних клеток и его функционирования на молекулярном уровне

1.2.3.2. Нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК

Впервые нуклеиновые кислоты были обнаруженные Ф. Мішером в 1869 году.

Убедительные доказательства того, что именно с ДНК связана передача наследственной информации, полученные при изучении вирусов. Проникая в клетку, они вносят в нее лишь нуклеиновую кислоту с очень небольшим количеством белка, а вся белковая оболочка остается вне клетки. Следовательно, введенная в клетку ДНК передает генетическую информацию, необходимую для образование такого же биологического вида. Выявлено, что чистая нуклеиновая кислота вируса табачной мозаики может заразить растение и вызывает типичную картину заболевания. Более того, удалось искусственно создать вегетативные "гибриды" из вирусов, в которых белковый футляр принадлежит одному виду, а нуклеиновая кислота - другому В таких случаях генетическая информация "гибридов" всегда с точностью соответствовала тому вируса, нуклеиновая кислота входила в состав которого "гибрида".

Веские доказательства роли ДНК в передаче наследственной информации получены также в экспериментах на микроорганизмах благодаря явления трансформации, трансдукции и конъюгации.

Трансформация (от лат. transformatio - превращение) - включение чужеродной ДНК в геном клетки-хозяина, что приводит к изменению ее структурных и функциональных свойств. Перенос наследственной информации от одной клетки к другой осуществляется с помощью ДНК клетки-донора. Явление трансформации было обнаружено в опытах английского микробиолога Гриффитса (1928) (рис. 1.47).

Рис. 1.47. Трансформация.

Трансдукция (от лат. transductio - перемещения) заключается в том, что вирусы, оставив бактериальные клетки, в которых они паразитировали, могут захватывать часть их ДНК и, попав в новые клетки, передают новым хозяевам свойства предыдущих. Это явление впервые было открыто в исследованиях по заражению бактерий вирусами.

Конъюгация (от лат. conjugatio - соединения) - это перенос генетического материала от одной бактерии к другой путем образования цитоплазматического мостика, перемещение части ДНК и ее интеграция с геномом клетки-реципиента.

Строение молекулы ДНК. Макромолекула ДНК - это две длинные полимерные цепи, состоящие из мономеров дезоксирибонуклеотидів, тесно соединенных между собой (рис. 1.48). Нити ДНК соединяются водородными связями между азотистыми основаниями двух цепей и образуют двойную спираль ДНК. Такую модель строения ДНК предложили в 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик. Они использовали также данные, полученные другими учеными (Г. Франклин, М. Уилкинс, Е. Чаргафф), которые с помощью рентгеновской дифракции и других методов изучали физическую и химическую природу ДНК. Пуриновые и піримідинові основы взаимодействуют друг с другом. Аденин одной цепи двумя водородными связями соединяется с тимином другой цепи, а гуанин - тремя водородными связями с цитозином. Такое сочетание азотистых основ обеспечивает прочную связь обеих цепей. Два полінуклеотидні цепи ДНК антипаралельні. То есть, 5'-конец одной цепи соединен с С'-концом другой, и наоборот. Генетическая информация записана последовательностью нуклеотидов в направлении от 5'-конца к З'-концу. Такая нить называется "содержательной", именно здесь расположены гены (матричный цепь). Вторая цепь в направлении 3'-5' считается "антизмістовним". Он необходим как "эталон" сохранение генетической информации и вступает в значение в процессах репликации и репарации.

Рис. 1.48. Структура ДНК (фрагмент).

Два длинные полимерные антипаралельні цепи, состоящие из дезоксирибонуклеотидів, прочно соединены между собой водородными связями. В результате этого образуется двойная спираль, закрученная вокруг центральной оси.

Рентгеноструктурный анализ показал, что диаметр двойной спирали составляет 2 нм, расстояние между двумя полными витками - 3,4 нм. В каждый виток входит 10 пар нуклеотидов. Расстояние между соседними основаниями составляет 0,34 нм.

Нуклеотиды. ДНК - это полимерная молекула, мономерами которой являются нуклеотиды. Нуклеотид состоит из: 1) азотистые основания; 2) моносахарида дезоксирибози (в нуклеотидах РНК - рибози); 3) остатка фосфорной кислоты.

Азотистые основания бывают двух типов: пуриновые - аденин (А) и гуанин (Г) и піримідинові - тимин (Т) и цитозин (Ц).

В состав молекулы ДНК входят четыре типа нуклеотидов: дезоксиаденозин-монофосфат (дАМФ), дезоксигуанін-монофосфат (дГМФ), дезокситимідин-монофосфат (дТМФ), дезоксицитозин-монофосфат (дЦМФ). Соединение нуклеотидов в молекуле ДНК происходит в результате взаимодействия фосфата одного нуклеотида с гідроксильною группой дезоксирибози другого. В результате образуется фосфодиефірний связь, что объединяет нуклеотиды в длинную цепочку. Скелет цепи состоит из молекул фосфата и пентоз, которые чередуются. Синтез полинуклеотидной цепи происходит с участием фермента ДНК-полимеразы. Этот фермент присоединяет фосфатную группу одного нуклеотида к гидроксильной группы дезоксирибози следующего.

Комплементарность пар оснований. Два полінуклеотидні цепи ДНК не являются идентичными, но они комплиментарны друг другу (рис. 1.48). Это связано со строгим соответствием основ одной цепи основам другое. Расстояние между двумя цепями ДНК - 2 нм, что позволяет вместить только одну пару А-Т или Г-Ц, соответствуют этим размерам. Только аденин и тимин, а также гуанин и цитозин имеют соответствующие пространственные структуры для образования водородных связей. Концепция специфического связывания пар оснований свидетельствует, что аденин в одном цепи должен соответствовать тимина в другом, а гуанин должен иметь напротив себя цитозин в другом цепи. Таким образом, две цепи ДНК комплементарные друг другу.

Коллинеарность (от лат. collineare - метить, направлять) - свойство, что обусловливает соответствие между наборами триплетов нуклеотидов (границ) нуклеиновых кислот и аминокислот полипептидных цепей. То есть, последовательность аминокислот белка, в которой соответствующие кодоны располагаются в гене. Это означает, что положение каждой аминокислоты в цепи поліпептидному белка зависит от положения соответствующего триплета в гене. Генетический код считается колинеарным, если кодоны нуклеиновых кислот и соответствующие им аминокислоты белка расположены в одинаковом линейном порядке.

Явление колінеарності доказано экспериментально. Так, установлено, что серповидноклеточная анемия, при которой нарушено строение молекулы гемоглобина, обусловленная изменением одного нуклеотида в его гене, что приводит к замене одной аминокислоты на другую. Гипотеза о том, что последовательность нуклеотидов в гене определяет последовательность аминокислот белка, была выдвинута Г. А. Гамовым (1954). Данные о коллинеарность генов и полипептидов подтвердили ее. Благодаря концепции колінеарності можно определить порядок нуклеотидов внутри гена и в информационной РНК, если известен аминокислотный состав полипептидов, и наоборот, определив состав нуклеотидов ДНК, можно предусмотреть аминокислотный состав белка. Этот принцип используется в методах молекулярной биологии. Из этой концепции видно, что изменение порядка нуклеотидов внутри гена (его мутация) приводит к изменению аминокислотного состава белка.

Правила Е. Чаргаффа. Изучая химический состав ДНК в 1950 году, Эрвин Чаргафф (рис. 1.49) сформулировал важные положения относительно структуры ДНК:

I. Молярная доля пуринов (аденина - А и гуаніну - Г) равна молярній доле пиримидинов (цитозину - Ц и тимина - Т):

А+Г=Ц+Т, или А+Г/Ц+Т=1

II. Количество аденина и цитозину равно количеству гуаніну и тимина:

А+Ц=Г+Т, или А+Ц/Г+Т=1

III. Количество аденина равно количеству тимина, а количество гуаніну равно количеству цитозину:

А=Т или А/Т=1, Г=Ц или Г/Ц=1

IV. Отношение суммы молярных концентраций Г+Ц к сумме молярных концентраций А+Т у различных видов значительно меняется: Г+Ц/А+Т названо коэффициентом специфичности. Для бактерий коэффициент специфичности равен 0,45-2,8, для высших растений, животных и человека - 0,45-0,94.

V. Существуют виды ДНК, в которых А+Т>Г+Ц (АТ - тип) и ДНК, в которых А+ТГ+Ц (ГЦ-тип). АТ-тип ДНК характерный для высших растений, животных и человека. ГЦ-тип свойственный грибам, бактериям, вирусам.

Рис. 1.49. Е. Чаргафф (Ervin Chargaff) (1905-2002).

Эти правила являются основой установления химической и физической природы ДНК, пространственной структуры молекулы, а также механизма генетического кода.

Видовая специфичность ДНК По соотношение (А+Т) и (Г+Ц) представители разных видов различаются между собой, причем у животных преобладает пара А+Т, а у микроорганизмов соотношение (А+Т) и (Г+Ц) одинаковое. Эти явления используют как один из генетических критериев определение вида. В этом заключается индивидуальная специфичность ДНК. В таблице 1.9 приведены примеры соотношения основ ДНК разных видов организмов.

Таблица 1.9. Соотношение основ в некоторых ДНК (Ф. Севджером)

Примечание. Небольшие отклонения в соотношении основ связанные со сложностью исследований.

Пространственная организация ДНК Молекула ДНК может существовать в различной конфигурации в зависимости от окружающих условий. Известно несколько форм ДНК: а) В-форма - имеет стандартную структуру в соответствии с моделью молекулы Уотсона и Крика и в нормальных физиологических условиях является основным структурным типом; б) А-форма - обнаружена в зневодненому среде, при высоком содержании калия и натрия. Такая ДНК имеет несколько измененную спіралізацію; в) С-форма - имеет меньше оснований на один виток, а значит другие - физические характеристики; г) Z-форма - в отличие от других форм, закручена влево. Некоторые формы при изменении физиологических условиях могут переходить одна в одну, что дополнительно регулирует работу генов. Знание структуры ДНК позволило понять суть многих молекулярно-генетических процессов.

Следовательно, в молекуле ДНК можно выделить первичную структуру - последовательность нуклеотидов в цепи, вторичную структуру - две комплементарные анти - параллельные цепи, соединенные водородными связями, и третичную структуру - трехмерную спираль. Отметим, что: а) геометрия спирали ДНК зависит от последовательности нуклеотидов; б) значительная часть ДНК не кодирует белков или РНК; в) каждый ген - это сложная функционально-активная единица, предназначена для регулируемого синтеза РНК.

Рибонуклеїнові кислоты (РНК). Наследственная информация хранится в молекуле ДНК. Однако ДНК не участвует в жизнедеятельности клеток. Роль посредников в передаче наследственной информации от ДНК в цитоплазму играют рибонуклеїнові кислоты. Взаимоотношения ДНК, РНК и белков можно представить в виде схемы ДНК → РНК → белок.

В этом случае один из цепей ДНК является матрицей для молекул РНК, что, в частности, являются матрицами синтеза белков или входят в состав рибосом или переносят аминокислоты.

РНК имеют вид длинных неразветвленных полимерных молекул, состоящих из одного цепи. Одноланцюгові РНК могут образовывать двойные спирали, если разные части цепи имеют антипаралельні комплементарные сегменты, связанные друг с одним (рис. 1.50). У части вирусов РНК является носителем наследственной информации отсутствии ДНК. Некоторые РНК имеют каталитическую активность на определенные клеточные процессы. РНК - полимер рибонуклеотидів, состоящие из фосфорной кислоты, рибози и азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин, урацил). Рибоза вместе с остатками фосфорной кислоты образует скелет молекулы, на котором расположены азотистые основания. Все виды РНК синтезируются на молекулах ДНК при участии ферментов РНК-полімераз на основе принципа комплементарности. При этом в синтезованій молекуле ДНК аденин комплементарный урацила РНК, а гуанин - цитозину. Если содержание ДНК в клетках постоянный, то содержание РНК очень колеблется в зависимости от типа клетки, интенсивности метаболизма и синтеза белков.

Рис. 1.50. Строение РНК:

1 - линейная молекула РНК; 2 - образование определенной молекулы РНК за счет комплементарного соединение азотистых оснований того же цепи.

Молекулы РНК имеют много общего со структурой ДНК, но отличаются рядом признаков: а) углеводом РНК является рибоза, б) РНК не содержит тимина, его место в молекуле занимает урацил, в) РНК - одноланцюгова молекула, г) правила Чаргаффа не выполняются.

Типы РНК. На основе размера, структуры и функции молекул различают три типа РНК, характерных как для прокариот, так и эукариот.

Информационная РНК (іРНК). ЕЕ молекулы образуются на определенных участках ДНК, называемых структурных генов, в виде комплементарной копии участка одного из ее цепей. Они несут закодированную информацию первичной структуры белков в цитоплазму, где прикрепляется к рибосомам и реализуют эту информацию.

Информационная РНК является матрицей для синтеза полипептидов (белков), поэтому ее называют также матричной. Матричная РНК является шаблоном, на котором строятся полипептиды в соответствии с заложенной генетической информации. Конечно, она несет информацию о синтезе одной молекулы белка - это так называемая моноцистронна іРНК. Иногда она содержит несколько цистронів, расположенных рядом, для различных белков и известна под названием поліцистронна іРНК. Информационная РНК содержит информацию о порядке расположение аминокислот в синтезированном белке. Расположение аминокислот кодируется четкой последовательностью нуклеотидов в молекуле іРНК (генетический код). Каждой амінокислоті соответствует свой триплет" нуклеотидов (кодон). Молекулы іРНК состоят из 300-3000 нуклеотидов. Они составляют 0,5-3,0 % массы всех РНК клетки. Информационная РНК образуется в ядре в виде незрелой о-іРНК, которая содержит и неінфор - мативні последовательности нуклеотидов - интроне. В результате процессинга (вырезание інтронних участков) она "созревает" и поступает в цитоплазму, где сразу присоединяется к рибосомам. Однако иногда іРНК может накапливаться в клетках, связываться со специальными белками, "консервируют" ее, с образованием инфор - мосом. В таком виде информация может длительное время сохраняться в клетках. Толчком для их использование физиологические изменения в клетке, которые приводят к активации синтеза белка. Например, в овоциті накапливается много інформосом, а их іРНК начинает функционировать только после оплодотворения.

Транспортная РНК (тРНК). Молекулы тРНК образуются на специальных генах. Транспортные РНК короткие, однонитевые, имеют форму листа клевера (рис. 1.51) благодаря сочетанию комплиментарному основ на различных участках цепи, состоящие из небольшого числа нуклеотидов - 75-90. От общей массы РНК на тРНК приходится около 1015 %. Молекулы тРНК переносят к местам синтеза белков только соответствующие им аминокислоты из цитоплазмы. Каждой амінокислоті соответствует своя тРНК вследствие особенностей нуклеотидной последовательности и пространственной структуры. Молекулы тРНК имеют четыре важные участки: а) транспортную; б) антикодон; в) участок присоединения фермента; г) участок связывания с рибосомою.

Рис. 1.51. Строение молекулы тРНК:

1 - петля 1; 2 - петля2; 3 - петля 3; 4 - акцепторный конец; 5 - ОН-3'-конец; 6 - 5'-конец; 7 - антикодон; 8 - модифікаційні нуклеотиды.

До транспортной участка присоединяется специфическая аминокислота. Она образована двумя комплементарными концевыми участками РНК, 3'-конец которой состоит из семи пар оснований, он длиннее и формирует одноланцюгову участок заканчивается последовательностью ЦЦА со свободной ОН-группой. К этой группе присоединяется аминокислота, транспортируется.

Антикодон состоит из пяти нуклеотидов. В центре - три специфических рибонуклеотиди (триплет). Азотистые основания антикодона имеют комплементарный триплет на цепи іРНК, этот триплет называется кордоном. В период синтеза белка антикодон находит соответствующий ему кодон на іРНК и временно присоединяется к него водородными связями.

Участок присоединения фермента - это специальная часть молекулы тРНК для специфического связывания с ферментом аміноацил-тРНК-синтетазою, катализирующий присоединение аминокислоты молекулы тРНК.

Участок связывания с рибосомою - особенная часть молекулы (определенная последовательность нуклеотидов) тРНК, что нужна для прикрепления к рибосомы.

На рис. 1.51 слева приведена схема спаривание оснований в соответствующих участках молекулы (структура "клеверного листка"), а справа - трехмерная модель конфигурации молекулы. Один конец молекулы (акцепторный) предназначен для присоединения аминокислот, а второй содержит антикодон, состоящий из трех нуклеотидов.

Рибосомальна РНК (рРНК). Рибосомальна РНК образуется на специальных генах ДНК в ядерці. Рибосомальна РНК - большая одноланцюгова разветвленная молекула, включающая 3000-5000 нуклеотидов. Из общей массы РНК на ее долю приходится до 90 %. В каріоплазмі рРНК и различные белки объединяются в соотношении 1:1 для образования малых и больших субъединиц рибосом.

Рибосомальна РНК образует структурный каркас рибосомы, ей принадлежит важная роль в процессе синтеза белков. Рибосомальна РНК обеспечивает связывание іРНК с рибосомами с помощью определенных последовательностей нуклеотидов. Таким образом устанавливается начало и рамка считывания информации с іРНК. Много белков рибосом выполняют не только структурную, но и ферментативную функцию.

Таким образом, четыре разновидности нуклеиновых кислот имеют много общего в строении, но выполняют различные функции.