Рягин_ Лекция_ Структурно_функциональная организация нуклеиновых кислот

1.

2.

1. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ: ОБЩАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА, СОСТАВ.

3.

Нуклеиновые кислоты - это природные, высокомолекулярные (М =25000 – 1 000000
Д), полимерные органические соединения, состоящие из нуклеотидов, соединенных
3’-5’ - фосфодиэфирными связями и имеющие сложную структурную организацию.
В зависимости от компонентов полного
гидролиза (нагревание в присутствии
кислоты) различают два вида
нуклеиновых кислот:
• дезоксирибонуклеиновая кислота
(ДНК)
• рибонуклеиновая кислота (РНК).
Тип нуклеиновой кислоты
ДНК
РНК
Азотистые основания
аденин (А), гуанин (Г),
цитозин (Ц), тимин (Т)
аденин (А), гуанин (Г),
цитозин (Ц), урацил (У)
Пентоза углевода
дезоксирибоза
рибоза

4.

5.

АЗОТИСТЫЕ ОСНОВАНИЯ, ВХОДЯЩИЕ В СОСТАВ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
ОСНОВНЫЕ
Пуриновые
азотистые основания
МИНОРНЫЕ (<10%)
Пиримидиновые
азотистые основания
• Азотистые основания способны в растворе к изомерным, таутомерным превращениям. Для них характерна лактим-лактамная
и аминно-иминная таутомерия (для оснований, содержащих NH2-rpyппы):

6.

Нуклеозиды - гликозиды, состоящие из азотистых оснований(агликон) и пентозы
углевода (углеводный компонент), соединенные N- гликозидными связями
• В зависимости от природы углеводного остатка различают рибонуклеозиды и
дезоксирибонуклеозиды.
Наиболее употребительными являются названия,
производимые от тривиального названия
соответствующего гетероциклического основания с
суффиксом -идин у пиримидиновых (например,
уридин) и -озин у пуриновых (гуанозин)
нуклеозидов.
Сокращенные названия нуклеозидов
представляют собой однобуквенный код, где
используется начальная буква латинского
названия нуклеозида (с добавлением латинской
буквы d в случае дезоксинуклеозидов):
Аденин + Рибоза → Аденозин (А)
Аденин + Дезоксирибоза → Дезоксиаденозин (dA)
Цитозин + Рибоза → Цитидин (С)
Цитозин + Дезоксирибоза → Дезоксицитидин (dC)
Исключением из этого правила является название
«тимидин» (а не «дезокситимидин»), которое
используется для дезоксирибозида тимина,
входящего в состав ДНК. Если же тимин связан с
рибозой, то соответствующий нуклеозид называют
риботимидином.

7.

Мононуклеотиды - фосфаты нуклеозидов
В зависимости от природы углеводного остатка различают дезоксирибонуклеотиды и
рибонуклеотиды. Фосфорная кислота обычно этерифицирует спиртовой гидроксил при С-5' или
при С-3' в остатках дезоксирибозы (дезоксирибонуклеотиды) или рибозы (рибонуклеотиды).
Между остатками фосфорной кислоты и пентозой углевода образуется сложноэфирную связь.

8.

2. СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ
СТРОЕНИЕ ДНК.

9.

Первичная структура нуклеиновых кислот - это полинуклеотидная цепь, т.е.
последовательно соединенные нуклеотиды 3’-5’ фосфодиэфирными связями
• В клетках живых организмов она представлена 103-108 нуклеотидами.
• Ее можно изобразить в полном и сокращенном виде, если учесть, что пентозы и остатки фосфорной
кислоты повторяются:
• Полинуклеотидная цепь ДНК имеет два конца: 3’-конец, где 3-гидроксил пентозы последнего
нуклеотида свободен, и противоположный ему 5-конец, где 5-гидроксид первой пентозы не
связан.
• Первичную структуру в неизменном состоянии имеют некоторые вирусы.

10.

Вторичная структура ДНК – «двойная спираль»: две антипараллельно
расположенные полинуклеотидные цепи, объединенные между собой за счет
образования между ними водородных связей.
• ДНК представляет собой правовращающуюся спираль, в которой две полинуклеотидных
цепи закручены вокруг одной и той же оси. Спираль регулярна. Один виток состоит из 10
нуклеотидов. Размер витка 3,4 нм, диаметр примерно 2 нм.
• «Сахарофосфатный остов» обращен наружу, а азотистые основания внутрь.
• Принцип комплементарности: аденин образует две водородные связи только с тимином
(А=Т), а гуанин – три связи с цитозином (Г Ц).
Комплементарность оснований лежит в основе закономерностей, которым подчиняется
нуклеотидный состав ДНК, сформулированных Э. Чаргаффом (правила Чаргаффа):
• количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых оснований;
• количество аденина равно количеству тимина; количество гуанина равно количеству
цитозина;
• количество оснований, содержащих аминогруппу в положениях 4 пиримидинового и 6
пуринового ядер, равно количеству оснований, содержащих в этих же положениях оксогруппу.
Это означает, что сумма аденина и цитозина равна сумме гуанина и тимина.
! Для РНК правила Чаргаффа либо не выполняются, либо выполняются с некоторым
приближением, поскольку в них содержится много других оснований.

11.

Вторичная структура ДНК – «двойная спираль»: две антипараллельно
расположенные полинуклеотидные цепи, объединенные между собой за счет
образования между ними водородных связей.
У прокариот длина ДНК составляет примерно 1 мм (E.coli). Они замкнуты в кольцо и
им присуща укладка в виде петель при взаимодействии с негистоновыми белками.
Такую структуру называют нуклеоид. Подобное строение имеет ДНК митохондрий,
пластид, встречается у ряда вирусов.

12.

Третичная структура ДНК – дополнительное скручивание в пространстве двойной
спирали ДНК при взаимодействии с белками.
Компактизация ДНК в хромосомах позволяет уменьшить ее линейные
размеры примерно в 10 000 раз - условно с 5 см до 5 мкм. Выделяют
несколько уровней :
• Образование полинуклеосомной цепи, что уменьшает ее
линейные размеры (1-10 см) в 5-7 раз. Восемь положительно
заряженных гистоновых доменов образуют кор (сердцевину)
нуклеосомы на которую наматывается отрицательно заряженная
молекула ДНК. На одной нуклеосоме размещается около 200 пар
азотистых оснований, между нуклеосомами остается фрагмент до 60
пар.
• Образование соленоида. Вся полинуклеосомная цепь многократно
спирализуется и укладывается в виде винта. Шаг соленоида равен 11
нм, на один виток приходится около 6-10 нуклеосом. При этом
линейная длинна ДНК уменьшается 30-40 раз.
• ДНК-связывающими белками, которые распознают определенные
последовательности ДНК и связываются с ними, образуя петли
примерно по 30-300 тысяч пар оснований. Петля обеспечивает
экспрессию генов, т.е. петля является не только структурным, но и
функциональным образованием. Укорочение на этом уровне
происходит в 20-30 раз. Диаметр увеличивается до 300 нм.
Петлеобразные структуры типа "ламповых щеток" в ооцитах
земноводных можно видеть на цитологических препаратах
• Соленоид подвергается суперспирализации, образуя домены, что
уменьшает линейные размеры ДНК в 1000 раз. Петлевые домены
своим основанием прикрепляются к внутриядерному белковому
матриксу. Каждый домен, по-видимому, имеет одну точку начала
репликации и функционирует как автономная сверхспиральная
единица.
• Конденсируясь, каждый домен образует глобулу, которые
упорядоченно укладываются в пространстве, образуя метафазную
хромосому. Линейные размеры при этом уменьшаются в 105 раза.

13.

3. СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ
СТРОЕНИЕ РНК

14.

Рибонуклеиновые кислоты – одноцепочечные нуклеиновые кислоты.
Их вторичные и третичные структуры нерегулярны.
В зависимости от строения и выполняемыми функциям РНК делят на три основные
типа:
• Информационная (матричная) РНК: иРНК. Ее биологическое значение заключается в переносе
генетической информации из ядра в цитоплазму посредством транскрипции. Она служит в
качестве матрицы для синтеза белка и определенным образом приспособлена к выполнению
своей функции.
• Транспортная РНК: тРНК. Биологическая роль тРНК заключается в переносе аминокислот к
рибосом для синтеза белка.
• Рибосомальная РНК: рРНК

15.

Информационная РНК
• Обозначается иРНК (мРНК).
• Составляет 2-5% всей клеточной РНК.
• Состоит из 75-3000 нуклеотидов, М = 25000 – 25000000 Д.
В молекуле различают следующие участки:
•КЭП - это необычная последовательность нуклеотидов, защищающая иРНК от
разрушения ферментами (нуклеазами).
•Информативный фрагмент несет информацию о первичной структуре белка,
закодированную триплетами нуклеотидов. Начинается со стартового кодона АУГ и
заканчивается терминирующим кодоном УГА.
•Неинформативный фрагмент не несет определенной генетической информации.
•Полиадениловая часть состоит из примерно 200 остатков аденозина. Она
определяет время жизни иРНК.
Единой пространственной структуры, характерной для большинства иРНК, не
обнаружено.

16.

Транспортная РНК
• Обозначается тРНК.
• Составляет 10-15 % всей РНК клетки.
• Число нуклеотидов 70-90, M = 25000-31000 Д
• Существует более 20 типов тРНК. Их называют по имени той аминокислоты, которую
присоединяет данная РНК. Например, глициновая РНК аланиновая РНК и т. д.
• Первичная структура тРНК насчитывает большое количество минорных оснований (1012 на молекулу). Минорные основания выполняют две функции: они делают молекулы
тРНК устойчивыми к действию нуклеаз и поддерживают определенную вторичную
структуру, т.к. они не способны к нормальному спариванию и препятствуют образованию
двойной спирали.
Вторичная структура тРНК имеет вид «клеверного листа». Она образуется вследствие
внутрицепочечного спаривания комплементарных оснований отдельных участков при
помощи водородных связей:
Участки молекулы тРНК:
Акцепторный участок – состоит из 4 линейно расположенных нуклеотидов, три из
которых имеются во всех типах тРНК одинаковую последовательность ЦЦА. Гидроксил 3ОН аденозина свободен. Именно к нему присоединяется карбоксильная группа
аминокислот.
Антикодоновая петля – обычно содержит специфический для каждой тРНК триплет
нуклеотидов, называемый антикодоном. Антикодон по принципу комплементарности
способен спариваться с кодоном иРНК.
Псевдоуридиновая петля – состоит из 7 нуклеотидов и обязательно содержит остаток
псевдоуридиновой кислоты, которая участвует в связывании тРНК с рибосомами.
Дигидроуридиновая петля – состоит из 8-12 нуклеотидов, среде которых несколько
остатков дигидроуридина; связывает фермент тРНК-синтетазу, который учувствует в
узнавании аминокислотой своей РНК.
Добавочная, петля – варьирует по размерам и составу; стабилизируется водородными
связями, ионами магния.

17.

Рибосомальная РНК
• Составляет 80-90% от общей РНК.
• Состоит из 1500-4500 нуклеотидов, М = 500000-1600000 Д;
• Кодируется у эукариот особыми генами, находящимися в нескольких хромосомах и
расположенными в участке ядрышка, известном под названием ядрышкового организатора.
• В комплексе с белками рРНК образует рибосомы – органеллы, на которых происходит синтез
белка. рРНК является как бы «скелетом» рибосомы. Рибосома, как правило, состоит из двух
субъединиц большой и малой.
• Величина S характеризует скорость оседания частиц при ультрацентрифугировании и пропорциональна их
молекулярной массе. Рибосома прокариотов (70S) состоит из 50S и 30S субъединиц, эукариотов (80S) —
состоит из субъединиц 60S и 40S. Рибосомы эукариотов и прокариотов различаются по молекулярной массе
субъединиц, количеству молекул рРНК, массе рРНК, количеству и разнообразию белков, способных
связывать специфические лиганды.