Химия спадковості. 
Нуклеїнові кислоти. 
ДНК. РНК. 
Реплікація ДНК і передачі спадкової информации

Министерство вищого й середнього спеціальної освіти Російської Федерации.

Волгоградський державний технічний университет.

Кафедра органічної химии.

КУРСОВА РОБОТА на тему: «Хімія спадковості. Нуклеїнові кислоти. ДНК. РНК.

Реплікація ДНК і передачі спадкової информации.".

Виконав: студентка.

ХХХХХ.

Група ХХХХХХ.

Перевірив: ХХХХХХ.

Волгоград — 2003.

ЗМІСТ |1.

ВВЕДЕНИЕ

|2 | |2.ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИТТЯ |3 | |2.1.Мир РНК як попередник сучасного життя |4 | |2.2.Возникновение біосинтезу білка |7 | |3.НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТИ |10 | |3.1.Состав нуклеїнових кислот |10 | |3.2.Значение нуклеїнових кислот |12 | |4.ДНК |13 | |4.1.Состав ДНК |13 | |4.2.Макромолекулярная структура ДНК |14 | |4.3.Выделение дезоксирибонуклеиновых кислот |15 | |4.4.Фракционирование |16 | |4.5.Функции ДНК |17 | |5.РНК |18 | |5.1.Состав РНК |18 | |5.2.Макромолекулярная структура РНК |18 | |5.3.Мультифункциональность РНК |20 | |5.4.Выделение рибонуклеиновых кислот |21 | |5.5.Фракционирование |22 | |6.ПРИРОДА МЕЖНУКЛЕОТИДНЫХ ЗВ’ЯЗКІВ |25 | |6.1.Межнуклеотидная зв’язок в ДНК |26 | |6.2.Межнуклеотидная зв’язок в РНК |28 | |7.МАТРИЧНЫЙ СИНТЕЗ ДНК |30 | |7.1.ДНК-полимеразы |31 | |7.2.Точность синтезу ДНК і механізм корекції |31 | |8.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПИ РЕПЛІКАЦІЇ |33 | |8.1.Инициация ланцюгів ДНК |33 | |8.2.Расплетение подвійної спіралі ДНК |34 | |8.3.Прерывистый синтез ДНК |35 | |8.4.Кооперативное дію білків репликационной виделки |36 | |8.5.Согласованность процесів реплікації ДНК та клітинної |36 | |розподілу | | |9.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

|38 | |10.СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ |39 |.

1.

ВВЕДЕНИЕ

.

Ми народжуємося, дорослішаємо, ми з’являються діти та онуки. Ми одні живі істоти в цій планеті, можна щогодини, щомиті відбувається зародження нове життя. Цей процес відбувається не переривається ніколи. Наші сусіди з планеті - це мільярди живих істот: рослини, тварини, мікроорганізми, віруси. Нас тішить квітучий вишневий садок і шерех жовтіючої, конаючої листя під ногами, заспокоює выпрыгивающие із води дельфіни і стрибуча білка — летяга. І ми коли — або хворіли грипом, краснухою і недуги викликані перебуванням у нашій організмі хвороботворних мікробів і вірусів, але це теж живі організми. Як рідко ми замислюємося, звідки таке розмаїття життя, і його форм, так і не схожий один на друга! А то живі організми складаються з одних тієї ж хімічних елементів, об'єднаних в макромолекы, такі як білки. Тільки в різних живих істот білки різні за своєю структурою. Але чому клітини певного організму синтезують лише притаманні їм білки? Як відбувається механізм передачі спадкової інформації, а головне — де зберігається? Всі ці питання перетікають у ще більше важливий, цікавий і глобальний: життя — як що з’явилася в цій планеті й як відбувається її відтворення? Це питання, куди я постараюся знайти відповіді у цій работе.

2. ПОХОДЖЕННЯ ЖИЗНИ.

Мабуть, перша наукова, добре продумана теорія походження життя абиогенным шляхом було запропоновано біохіміком А.І. Опариным ще 20-х роках уже минулого століття. Теорія базувалася виставі, що це починався вже з білків, і можливості у певних умов спонтанного хімічного синтезу мономерів білків — амінокислот — і белковоподобных полімерів (полипептидов) абиогенным шляхом. Публікація теорії стимулювала численні експерименти у низці лабораторій світу, показали реальність такого синтезу в штучних умовах. Теорія швидко став загальноприйнятої і надзвичайно популярной.

Основним її постулатом було те, що спонтанно виникаючі у первинному «бульйоні «белковоподобные сполуки об'єднувалися в коацерватные краплі - відособлені колоїдні системи, плаваючі на більш нашпигованою водному розчині. Це давало головну передумову виникнення організмів — відокремлення певної біохімічної системи від довкілля, її компартментализацию. Оскільки деякі белковоподобные сполуки коацерватных крапель могли мати каталітичної активністю, то з’являлася можливість проходження біохімічних реакцій синтезу всередині крапель — виникало подобу асиміляції, отже, зростання коацервата з наступним його розпадом на частини — розмноженням. Асиміляційний, зростаючий і размножающийся розподілом коацерват розглядався як прообраз живої клітини (рис. 1).

Усе добре продумане й науково обгрунтоване теоретично, крім однієї проблеми, яку довго заплющували очі на майже всі фахівці з галузі походження життя. Якщо спонтанно, шляхом випадкових безматричных синтезів в коацервате виникали поодинокі вдалі конструкції білкових молекул (наприклад, ефективні каталізатори, щоб забезпечити перевагу даному коацервату у кар'єрному зростанні і розмноженні), як могли копіюватись для поширення всередині коацервата, а тим паче передачі коацерватамнащадкам? Теорія виявилася неспроможною запропонувати розв’язання проблеми точного відтворення — всередині коацервата й у поколіннях — одиничних, випадково що з’явилися ефективних білкових структур.

[pic] Рис. 1. Схематичне уявлення шляху походження жизни согласно белково — коацерватной теорії А.І. Опарина.

2.1. Світ РНК як попередник сучасної жизни.

Нагромадження знання генетичному коді, нуклеїнових кислотах і біосинтезі білків призвело до утвердженню принципово нової ідеї у тому, що усе починалося зовсім з білків, і з РНК. Нуклеїнові кислоти є єдиним типом біологічних полімерів, макромолекулярная структура яких, завдяки принципу комплементарності при синтезі нових ланцюгів, забезпечує можливість копіювання власної лінійної послідовності мономерных ланок, інакше кажучи, можливість відтворення (реплікації) полімеру, його мікроструктури. Тому варто тільки нуклеїнові кислоти, але з білки, може бути генетичним матеріалом, то є воспроизводимыми молекулами, повторяющими своє специфічне мікроструктуру в поколениях.

З міркувань саме РНК, а чи не ДНК, могла являти собою первинний генетичний материал.

По-перше, й у хімічному синтезі, й у біохімічних реакціях рибонуклеотиды передують дезоксирибонуклеотидам; дезоксирибонуклеотиды — продукти модифікації рибонуклеотидов.

По-друге, в древніх, універсальних процесах життєвого метаболізму широко представлені саме рибонуклеотиды, а чи не дезоксирибонуклеотиды, включаючи основні енергетичні носії типу рибонуклеозид-полифосфатов (АТФ і т.п.).

По-третє, реплікація РНК може статися без хоч би не пішли участі ДНК, а механізм редуплікації ДНК навіть у сучасному живому світі вимагає обов’язкової участі РНК-затравки в ініціації синтезу ланцюга ДНК.

По-четверте, володіючи всіма тими самими матричними і генетичними функціями, як і ДНК, РНК здатна також до виконання низки функцій, властивих білкам, включаючи каталіз хімічних реакцій. Отже, є усі підстави розглядати ДНК як більше пізніше еволюційний придбання — як модифікацію РНК, спеціалізовану до виконання функції відтворення і збереження унікальних копій генів у складі клітинного геному без особистої участі в біосинтезі белков.

Коли було відкрито каталитически активні РНК, ідея первинності РНК походження життя отримала сильніший поштовх розвитку, і було сформульована концепція самодостатнього світу РНК, попереднього сучасного життя. Можлива схема виникнення світу РНК представлена на рис. 2.

|[pic] |Рис. 2. Схематичне | | |уявлення | | |шляху походження життя | | |відповідно до сучасної концепції | | |первинності світу РНК |.

Абіогенний синтез рибонуклеотидов та його ковалентное об'єднання в олигомеры і полімери типу РНК могли відбуватися приблизно тієї ж умовах і тією ж хімічної обстановці, що постулировались для освіти амінокислот і полипептидов. Нещодавно Г. Б. Четверин з співробітниками (Інститут білка РАН) експериментально показали, що у крайньої мері деякі полирибонуклеотиды (РНК) у звичайній водної середовищі здатні до спонтанної рекомбінації, тобто обміну відрізками ланцюга, шляхом трансэстерификации. Обмін коротких відрізків ланцюга на довгі, повинен спричинить подовженню полирибонуклеотидов (РНК), а сама така рекомбінація сприяти структурному різноманіттю цих молекул. У тому числі могли виникати і каталитически активні молекули РНК.

Навіть вкрай рідкісне поява одиничних молекул РНК, хто був здатні каталізувати полімеризацію рибонуклеотидов чи з'єднання (сплайсинг) олігонуклеотидів на комплементарної ланцюга як у матриці, означало становлення механізму реплікації РНК. Реплікація самих РНКкаталізаторів (рибозимов) мала спричинити у себе виникнення самореплицирующихся популяцій РНК. Продукуючи свої копії, РНК розмножувалися. Неуникненні помилки у копіюванні (мутації) і рекомбінації в самореплицирующихся популяціях РНК створювали дедалі більше розмаїтість цього світу. Отже, гаданий древній світ РНК — це «самодостатній біологічний світ, у якому молекули РНК функціонували як і генетичний матеріал, як і энзимоподобные каталізатори » .

2.2. Виникнення біосинтезу белка.

Далі з урахуванням світу РНК мало відбуватися становлення механізмів біосинтезу білка, поява різноманітних білків з наследуемой структурою і властивостями, компартментализация систем біосинтезу білка і білкових наборів, можливо, у вигляді коацерватов і еволюція їх у клітинні структури — живі клетки.

Проблема переходу з древнього світу РНК до сучасного білоксинтезирующему світу — найбільш важка навіть суто теоретичного рішення. Можливість абіогенного синтезу полипептидов і белковоподобных речовин не у рішенні проблеми, бо проглядається ніякого конкретного шляху, як синтез міг бути пов’язане з РНК і підпасти під генетичний контроль. Генетично контрольований синтез полипептидов і білків мав розвиватися незалежно від первинного абіогенного синтезу, власним шляхом, з урахуванням вже яка була світу РНК. У літературі запропоновано кілька гіпотез походження сучасного механізму біосинтезу білка в світі РНК, але, мабуть, жодна їх неспроможна розглядатися як детально продумана і бездоганна з погляду фізико-хімічних можливостей. Представлена нижче версія найточніше відбиває процесу еволюції і спеціалізації РНК, що веде до виникненню апарату біосинтезу білка (рис. 3), але вона не претендує на законченность.

Запропонована гіпотетична схема містить дві суттєві моменту, що здаються чомусь принципиальными.

1. Постулюється, що абиогенно синтезовані олигорибонуклеотиды активно рекомбинировали через механізм спонтанної неэнзиматической трансэстерификации, наводячи до утворення видовжених ланцюгів РНК і даючи початок їх різноманіттю. Саме цим шляхом в популяції олігонуклеотидів і полинуклеотидов і могли з’явитися як каталитически активні види РНК (рибозимы), і решта видів РНК зі спеціалізованими функціями (див. рис. 3). Понад те, неэнзиматическая рекомбінація олігонуклеотидів, комплементарно связывающихся з полинуклеотидной матрицею, могла забезпечити зшивання (сплайсинг) фрагментів, комплементарных цієї матриці, на єдину ланцюг. Саме такою способом, а чи не катализируемой полимеризацией мононуклеотидов, могло здійснюватися первинні копіювання (розмноження) РНК. Зрозуміло, якщо з’являлися рибозимы, котрі володіли полімеразної активністю, то ефективність (точність, швидкість і продуктивність) копіювання на комплементарної матриці мала значно возрастать.

[pic].

Рис. 3. Схема еволюції і спеціалізації молекул РНК в процесі переходу з древнього світу РНК до сучасного миру генетически детермінованого біосинтезу белков.

2. Первинний апарат біосинтезу білка виник з урахуванням кількох видів спеціалізованих РНК до появи апарату энзиматической (полімеразної) реплікації генетичного матеріалу — РНК і ДНК. Цей первинний апарат включал:

V каталитически активну прорибосомную РНК, обладавшую пептидилтрансферазной активностью;

V набір про-тРНК, специфічно що пов’язують амінокислоти чи короткі пептиды;

V іншу прорибосомную РНК, здатну взаємодіяти разом з каталітичної прорибосомной РНК, про-мРНК і про-тРНК (див. рис. 3).

Така система вже могла синтезувати полипептидные ланцюга. Серед інших каталитически активних білків — первинних ферментів (ензимів) — з’явилися б і білки, катализирующие полімеризацію нуклеотидів — репликазы, чи НК-полимеразы.

Втім, можливо, що гіпотеза — про стародавньому світі РНК як попередника сучасного живого світу не зможе одержати достатньої обгрунтування задля подолання основний труднощі - науково правдоподібного описи механізму переходу від РНК і його реплікації до биосинтезу білка. Є приваблива і докладно продумана альтернативна гіпотеза А. Д. Альтштейна (Інститут біології гена РАН), у якій постулюється, що реплікація генетичного матеріалу та її трансляція — синтез білка — виникало і еволюціонували це й поєднується, починаючи з взаємодії абиогенно синтезирующихся олігонуклеотидів і аминоацилнуклеотидилатов — змішаних ангідридів амінокислот і нуклеотидів. Але це вже наступний казка… («І Шахразаду захопило ранок, і її припинила дозволені промови » .).

3. НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТЫ.

3.1. Склад нуклеїнових кислот.

Нуклеїнові кислоти — це біополімери, макромолекули яких складаються з багаторазово повторюваних ланок — нуклеотидів. Тому і називають також полинуклеотидами. Найважливішою характеристикою нуклеїнових кислот був частиною їхнього нуклеотидный склад. До складу нуклеотида — структурного ланки нуклеїнових кислот — входять три складові: азотисте підставу — пиримидиновое чи пуриновое. У нуклеїнових кислотах містяться підстави 4-х різних видів: дві з них ставляться до класу пуринов і двоє - до класу пиримидинов. Азот, що міститься у кільцях, надає молекулам основні властивості. моносахарид — рибоза чи 2-дезоксирибоза. Цукор, входить до складу нуклеотида, містить п’ять вуглецевих атомів, тобто. є пентозу. Залежно від виду пентози, наявною у нуклеотиде, розрізняють два виду нуклеїнових кислот — рибонуклеиновые кислоти (РНК), які містять рибозу, і дезоксирибонуклеиновые кислоти (ДНК), містять дизоксирибозу. залишок фосфорної кислоти. Нуклеїнові кислоти є кислотами тому, що їх молекулах міститься фосфорна кислота.

Нуклеотид — фосфорний ефір нуклеозида. До складу нуклеозида входять два компонента: моносахарид (рибоза чи дезоксирибоза) і азотисте основание.

Наприкінці 40-х — початку 1950;х років, коли з’явилися такі методи дослідження, як хроматографія на папері та УФ-спектроскопия, були проведено численні дослідження нуклеотидного складу НК (Чаргафф, А. М. Білозерський). Отримані дані дозволили рішуче скинути старі ставлення до нуклеїнових кислотах, як «про полимерах, містять повторювані тетрануклеотидные послідовності (так звана тетрануклеотидная теорія будівлі ПК, що панувала в 30—40-е роки), і підготували грунт створення сучасних уявлень як про первинної структурі ДНК і РНК, а й про їхнє макромолекулярной структурі та функциях.

Метод визначення складу ПК грунтується на аналізі гідролізатів, які виникають за її ферментативном чи хімічному розщепленні. Зазвичай використовуються три способу хімічного розщеплення НК. Кислотний гідроліз в жорстких умов (70%-ная хлорне кислота, 100 °C, 1ч чи 100%-ная мурашина кислота, 175 °З, 2 год), застосовуваний для аналізу як ДНК, і РНК, призводить до розриву всіх N-гликозидных зв’язків й освіті суміші пуриновых і пиримидиновых підстав. При дослідженні РНК можуть використовувати як м’який кислотний гідроліз (1 зв. соляна кислота, 1OO°C, 1 год), у результаті якого утворюються пуриновые основи, а пирамидиповые нуклеозид-2 «(3 »)-фосфати, і лужної гідроліз (0,3 зв. їдкий розжарюй, 37 °З, 20 год), дає суміш нуклеозид -2 «(3 ») -фосфатов.

Бо у НК число нуклеотидів кожного виду одно числу відповідних підстав, задля встановлення нуклеотидного складу даної НК досить визначити кількісне співвідношення підстав. З цією метою з гідролізатів з допомогою хроматографії на папері чи електрофорезу (коли внаслідок гідролізу отримують нуклеотиди) виділяють індивідуальні сполуки. Кожне підставу незалежно від цього, пов’язано вона з вуглеводним фрагментом чи ні, має характерним максимумом поглинання у СФ, інтенсивність якої від концентрації. Через це, з УФ-спектров виділених сполук, можна визначити кількісне співвідношення підстав, отже, і нуклеотидный склад вихідної НК.

При кількісному визначенні мінорних нуклеотидів, особливо таких нестійких, як дигидроуридиловая кислота, користуються ферментативными методами гідролізу (ФДЭ зміїного отрути і селезенки).

Використання описаних вище аналітичних прийомів показало, що ПК різного походження складаються за рідкісним винятком із чотирьох основних нуклеотидів І що зміст мінорних нуклеотидів не може змінюватися в значних пределах.

Як показано далі, щодо нуклеотидного складу ДНК були отримані дані, які вдалося розпізнати її просторову структуру.

3.2. Значення нуклеїнових кислот.

Значення нуклеїнових кислот дуже велике. Особливості їх хімічного будівлі забезпечують можливість збереження, перенесення в цитоплазму і передачі у спадок дочірнім клітинам інформації про структуру білкових молекул, які синтезуються у кожному клітині. Бєлки зумовлюють більшість властивостей і ознак клітин. Зрозуміло тому, що структури нуклеїнових кислот — найважливіша умова нормальної життєдіяльності клітин та організму загалом. Будь-які зміни будівлі нуклеїнових кислот тягнуть зміни і структури клітин чи активності фізіологічних процесів у яких, впливаючи в такий спосіб на жизнеспособность.

Існує дві типу нуклеїнових кислот: ДНК і РНК.

РНК (рибонуклеиновая кислота), як і ДНК, представляє собою полімер мономерами якого служать нуклеотиди. Азотисті підстави ті самі, що входять до складу ДНК (аденін, гуанін, цетозин); четверте — урацил — є у молекулі РНК замість тиміну. Нуклеотиди РНК містять замість дизоксирибозы іншу пентозу — рибозу.

4. ДНК.

4.1. Склад ДНК.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — біологічний полімер, що з двох полинуклеотидных ланцюгів, з'єднаних друг з одним. Мономери, складові кожну з ланцюгів ДНК, є складні органічні сполуки, які включають одна з чотирьох азотистих підстав: аденін (А) чи тимин (Т), цитозин (Ц) чи гуанін (Р); пятиатомный цукор пентозу — дезоксирибозу, під назвою якої отримав назву і самі ДНК, а також залишок фосфорної кислоти. Ці сполуки звуться нуклеотидів. У кожній ланцюга нуклеотиди з'єднуються шляхом освіти ковалентних зв’язків між дезоксирибозой один і залишком фосфорної кислоти наступного нуклеотида. Об'єднуються дві ланцюзі у одну молекулу з допомогою водневих зв’язків, виникаючих між азотистими підставами, входять до складу нуклеотидів, їхнім виокремленням різні цепи.

Досліджуючи нуклеотидный склад ДНК різного походження, Чаргафф виявив такі закономерности.

1. Усі ДНК незалежно від своїх походження містять однакове число пуриновых і пиримидиновых підстав. Отже, у будь-якій ДНК за кожен пуриновый нуклеотид припадає одна пиримидиновый.

2. Будь-яка ДНК завжди містить у рівних кількостях попарно аденін і тимин, гуанін і цитозин, які зазвичай позначається як А=Т і G=C. З положень цих закономірностей випливає третья.

3. Кількість підстав, містять аминогруппы вагітною 4 пиримидинового ядра і шість пуринового (цитозин і аденін), дорівнювала кількості підстав, містять оксо-группу у тих-таки положеннях (гуанін і тимин), т. е. A+C=G+T. Ці закономірності дістали назву правил Чаргаффа. Поруч із цим було виділено встановлено, що кожного типу ДНК сумарне зміст гуанина і цитозина не одно сумарному змісту аденіну і тиміну, т. е. що (G+C)/(A+T), зазвичай, відрізняється від одиниці (може бути як більше, і менше її). У цій ознакою розрізняють дві основні типу ДНК: А (Ттип з переважним змістом аденіну і тиміну і G (C-тип з переважним змістом гуанина і цитозина.

Значимість відносини змісту суми гуанина і цитозина від суми змісту аденіну і тиміну, що характеризує нуклеотидный склад даного виду ДНК, прийнято називати коефіцієнтом специфічності. Кожна ДНК має характерний коефіцієнт специфічності, котрі можуть змінюватися не більше від 0,3 до 2,8. При підрахунку коефіцієнта специфічності враховується зміст мінорних підстав, і навіть заміни основних підстав їх похідними. Наприклад, під час підрахунку коефіцієнта специфічності для ЭДНК зародків пшениці, у якій міститься 6% 5-метилцитозина, останній входить у суму змісту гуанина (22,7%) і цитозина (16,8%). Сенс правил Чаргаффа для ДНК став зрозумілим від встановлення її просторової структуры.

4.2. Макромолекулярная структура ДНК.

У 1953 р. Вотсон і Крік, спираючись на відомі даних про конформаци нуклеозидных залишків, про характер межнуклеотидной зв’язку в ДНК і закономірності нуклеотидного складу ДНК (правила Чаргаффа), розшифрували рентгенограми паракристаллической форми ДНК [так званої В-формы, образующейся при вологості вище 80% і за високої концентрації противоионов (Li+) в зразку]. Відповідно до їхнього моделі, молекула ДНК є правильну спіраль, освічену двома полидезоксирибонуклеотидными ланцюгами, закрученими щодо одне одного й навколо загальної осі. Діаметр спіралі практично постійний уздовж усієї її довжини дорівнює 1,8 нм (18 А).

[pic].

Макромолекулярная структура ДНК.

(а)—Модель Вотсона — Крика;

(6)—параметры спіралей У-, Зі Т-форм ДНК (проекції перпендикулярно осі спирали);

(в)—поперечный розріз спіралі ДНК в В-форме (заштриховані прямокутники зображують пари оснований);

(г)—параметры спіралі ДНК в А-форме;

(д)—поперечный розріз спіралі ДНК в А-форме.

Довжина витка спіралі, що відповідає її періоду ідентичності, становить 3,37 нм (33,7 А). На один виток спіралі доводиться 10 залишків підстав лише у ланцюга. Відстань між площинами підстав одно, таким чином, приблизно 0,34 нм (3,4 А). Площині залишків підстав перпендикулярні довгою осі спіралі. Площині вуглеводневих залишків кілька відхиляються від цього осі (спочатку Вотсон і .Крік припустили, що вони рівнобіжні ей).

З малюнка видно, що углеводофосфатный остов молекули звернений назовні. Спіраль закручена в такий спосіб, що у його поверхні можна назвати дві різні за величиною борозенки (їх часто називають також желобками) — велику, шириною приблизно 2,2 нм (22 А), малу —шириною 1,2 нм (12А). Спіраль — правовращающая. Полидезоксирибонуклеотидные ланцюзі у ній антипараллельны: це, коли ми рухатимемося вздовж довгою осі спіралі від однієї її кінця до іншого, то ланцюжка ми проходити фосфодиэфирные зв’язку у бік 3 «(5 », а інший — в напрямі 5 «(3 ». Інакше кажучи, кожному з кінців лінійної молекули ДНК розташовані 5 «-кінець однієї й 3 «-кінець інший цепи.

Регулярність спіралі вимагає, щоб проти залишку пуринового підстави у ланцюжка перебував залишок пиримидинового підстави у інший ланцюга. Як підкреслювалося, ця потреба реалізується у вигляді принципу освіти комплементарных пар підстав, т. е. залишкам аденіну і гуанина лише у ланцюга відповідають залишки тиміну і цитозина на другий ланцюга (і наоборот).

Отже, послідовність нуклеотидів лише у ланцюга молекули ДНК визначає нуклеотидну послідовність інший цепи.

Цей принцип головне наслідком моделі Вотсона і Кріка, бо у дивовижно простих хімічних термінах пояснює основне функціональне призначення ДНК — бути хранителем генетичної информации.

Закінчуючи розгляд моделі Вотсона і Кріка, залишається додати, що сусідні пари залишків підстав в ДНК, що у В-форме, повернені друг щодо друга на 36° (кут між прямими, з'єднуючими атоми С1 «у сусідніх комплементарных парах).

4.3. Виділення дезоксирибонуклеиновых кислот.

Живі клітини, крім сперматозоїдів, гаразд містять значно більше рибонуклеиновой, ніж дезоксирибонуклеїнової кислоти. На методи виділення дезоксирибонуклеиновых кислот справила великий вплив то обставина, що, тоді як рибонуклеопротеиды і рибонуклеиновые кислоти розчиняються у нашпигованою (0,15 М) розчині хлористого натрію, дезоксирибонуклеопротеидные комплекси фактично на ньому нерозчинні. Тому гомогенизированный орган чи організм старанно промивають розведеним солевым розчином, з залишку з допомогою міцного сольового розчину екстрагують дезоксирибонуклеиновую кислоту, яку в облогу беруть потім додаванням етанолу. З іншого боку, элюирование тієї самої залишку водою дає розчин, з яких при додаванні солі випадає дезоксирибонуклеопротеид. Розщеплення нуклеопротеида, що здебільшого є солеподобный комплекс між полиосновными і поликислотными электролитами, легко досягається розчиненням в міцній солевом розчині чи обробкою тиоцианатом калію. Більша частина білка можна видалити або додаванням етанолу, або эмульгированием з допомогою хлороформу і амилового спирту (білок утворює з хлороформом гель). Широко застосовувалася також обробка детергентами. Пізніше дезоксирибонуклеиновые кислоти виділяли з допомогою екстракції водними n-аминосалицилат — фенольными розчинами. З використанням цього отримано препарати дезоксирибонуклеїнової кислоти, у тому числі одні містили залишковий білок, тоді як інші були фактично вільні білка, що те що, що характер зв’язку білок — нуклеїнова кислота різний у різних тканинах. Зручна модифікація полягає у гомогенизировании тваринної тканини в 0,15 М розчині фенолфталеиндифосфата з наступним додаванням фенолу для осадження ДНК (вільна від РНК) із гарним выходом.

Дезоксирибонуклеиновые кислоти, хоч би яким способом де вони виділялися, є суміші полімерів різного молекулярного ваги, за винятком зразків, отриманих з деяких видів бактериофагов.

4.4. Фракционирование.

Ранній метод поділу був у фракційної дисоціації гелів дезоксирибонуклеопротеида (наприклад, нуклеогистона) у вигляді екстракції водними розчинами хлористого натрію дедалі більшого молярности. Таким шляхом препарати дезоксирибонуклеїнової кислоти було поділено на цілий ряд фракцій, що характеризуються різним ставленням змісту аденіну з тиміном від суми гуанина з цитозином, причому легше виділялися фракції, збагачені гуанином і цитозином. Подібні результати отримано при хроматографическом відділенні дезоксирибонуклеїнової кислоти від гистона, адсорбованого на кизельгуре, із застосуванням градиентного элюирования розчинами хлористого натрію. У поліпшеному варіанті цього очищені фракції гистона поєднувалися з n-аминобензилцеллюлозой із заснуванням диазомостиков від тирозиновых і гистидиновых груп білка. Описано також фракціонування нуклеїнових кислот на метилированном сывороточном альбумине (з кизельгуром як носія). Швидкість элюирования з колонки солевыми розчинами дедалі більшого концентрації залежить від молекулярного ваги, складу (нуклеїнові кислоти із високим вмістом гуанина з цитозином элюируются легше) і вторинної структури (денатурированная ДНК міцніше утримується колонкою, ніж нативная). Таким способом з ДНК морського краба Cancer borealis виділено природний компонент — полидезоксиадениловая-тимидиловая кислота. Фракціонування дезоксирибонуклеиновых кислот проводилося також із допомогою градиентного элюирования з колонки, наповненій фосфатом кальция.

4.5. Функції ДНК.

У молекулі ДНК з допомогою біологічного коду зашифровано послідовність амінокислот в пептидах. Кожна амінокислота кодується поєднанням трьох нуклеотидів, у разі утворюється 64 триплета, з яких 61 кодують амінокислоти, а 3 є безглуздими, і виконують функцію знаків препинания (АТТ, АЦТ, АТЦ). Шифрування однієї амінокислоти кількома триплетами одержало назву як вырожденность триплетного коду. Важливими властивостями генетичного коду є його специфічність (кожен триплет здатний кодувати тільки один амінокислоту), універсальність (свідчить про єдність походження всього живого на Землі) і неперекрываемость кодонов при считывании.

ДНК виконує такі функції: V зберігання спадкової інформації твориться з допомогою гистонов. Молекула ДНК звертається, створюючи спочатку нуклеосому, а після гетерохроматин, з яких складаються хромосоми; V передача спадкового матеріалу відбувається шляхом реплікації ДНК; V реалізація спадкової інформацією процесі синтезу белка.

5. РНК.

5.1. Склад РНК.

Перші інформацію про нуклеотидном складі РНК ставилися до препаратів, які представляють собою суміші клітинних РНК (рибосомних, інформаційних і транспортних) і званим зазвичай сумарною фракцією РНК. Правила Чаргаффа у разі порушуються, хоча певне відповідність між змістом гуанина і цитозина, і навіть аденіну і урацила усе-таки має место.

Дані, отримані останніми роками під час аналізу індивідуальних РНК, показують, що й них правила Чаргаффа не поширюються. Проте розбіжності у змісті аденіну і урацила, і навіть гуанина і цитозина для більшості РНК невеликі І що, отже, тенденція до виконання зазначених правил все-таки спостерігається. Це пояснюється особливостями макроструктури РНК.

Характерними структурними елементами деяких РНК є мінорні підстави. Відповідні їм нуклеотидные залишки зазвичай входять до складу транспортних та інших РНК на вельми невеликих кількостях, тому визначення повного нуклеотидного складу таких РНК є навіть дуже складну задачу.

5.2. Макромолекулярная структура РНК.

Хімічно РНК дуже справляє враження ДНК. Обидва речовини — це лінійні полімери нуклеотидів. Кожен мономер — нуклеотид — є фосфорований N-гликозид, побудований з залишку пятиуглеродного цукру — пентози, несе фосфатную групу на гидроксильной групі п’ятого вуглецевого атома (сложноэфирная зв’язок) і азотисте підставу з першого углеродном атомі (N-гликозидная зв’язок). Головне хімічне різницю між ДНК і РНК у тому, що цукровий залишок мономера РНК — це рибоза, а мономера ДНК — дезоксирибоза, що є похідним рибозы, у якому відсутня гидроксильная група другий — коли углеродном атомі (рис. 4).

[pic].

Рис. 4. Хімічні формули залишків однієї з рибонуклеотидов — уридиловой кислоти (U) і гомологичного ему дезоксирибонуклеотида тимидиловой кислоти (dT).

Азотистих підстав в РНК чотири виду: два пуриновых — аденін (А) і гуанін (G) -і двоє пиримидиновых — цитозин (З) і урацил (U).

Мономери — рибонуклеотиды РНК — утворюють полімерну ланцюг у вигляді формування фосфодиэфирных місточків між цукровими залишками (між п’ятим і третім атомами вуглецю пентози). Отже, полімерна ланцюг РНК то, можливо представлена як лінійний сахаро-фосфатный остов з азотистими підставами як бічних групп.

Вперше специфічна просторова структура РНК була продемонстровано при розшифровці атомної структури одній з т-РНК 1974;го р. (рис. 5). Згортання полімерної ланцюга тРНК, що з 76 нуклеотидних мономерів, приводить до формування дуже компактного глобулярного ядра, з яких під прямим кутом стирчать два виступу. Вони є короткі подвійні спіралі на кшталт ДНК, але організовані з допомогою взаємодії ділянок одному й тому ж ланцюга РНК. Одне з виступів є акцептором амінокислоти і бере участь у синтезі полипептидной ланцюга білка на рибосоме, а інший призначений для комплементарного взаємодії з кодирующим триплетом (кодоном) м-РНК у тій рибосоме. Тільки така структура здатна специфічно взаємодіяти з белком-ферментом, навешивающим амінокислоту на т-РНК, і з рибосомой в процесі трансляції, тобто специфічно «дізнаватися «ими.

[pic].

Рис. 5. Атомна (зліва) і кістякова (справа) моделі фенилаланиновой тРНК дрожжей.

Вивчення ізольованих рибосомних РНК дало наступний разючий приклад формування компактних специфічних структур із ще більш довгих лінійних полімерів цього. Рибосома і двох нерівних частин — великий й малої рибосомних субчастиц (субодиниць). Кожна субчастица побудована з однієї высокополимерной РНК цілого ряду різноманітних рибосомних білків. Довжина ланцюгів рибосомних РНК дуже значна: так, РНК малої субчастицы бактеріальної рибосоми містить понад 1500 нуклеотидів, а РНК великий субчастицы — близько 3 тис нуклеотидів. У ссавців, включаючи людини, ці РНК ще більше — близько 1900 нуклеотидів і більше 5000 нуклеотидів у малій і великий субчастицах соответственно.

5.3. Мультифункциональность РНК.

Підсумовування та огляд знання функціях РНК дозволяють казати про незвичайній багатофункціональності цього полімеру на живу природі. Можна дати таку список основних відомих функцій РНК.

• Генетична репликативная функція: структурна можливість копіювання (реплікації) лінійних послідовностей нуклеотидів через комплементарные послідовності. Функція реалізується при вірусних інфекції і аналогічна головною функції ДНК в життєдіяльності клітинних організмів — редуплікації генетичного материала.

• Кодирующая функція: програмування білкового синтезу лінійними послідовностями нуклеотидів. Це те ж функція, як і в ДНК. І на ДНК, й у РНК одні й самі триплеты нуклеотидів кодують 20 амінокислот білків, і послідовність триплетов у ланцюзі нуклеїнової кислоти є програма для послідовної розстановки 20 видів амінокислот в полипептидной ланцюга белка.

• Структурообразующая функція: формування унікальних тривимірних структур. Компактно згорнуті молекули малих РНК принципово подібні тривимірним структурам глобулярных білків, причому більше довгі молекули РНК можуть утворювати більші біологічні частки чи його ядра.

• Функція впізнавання: высокоспецифические просторові взаємодії коїться з іншими макромолекулами (зокрема білками, і іншими РНК) і із малими лигандами. Ця функція, мабуть, головна у білків. Вона полягає в здібності полімеру згортатися унікальним способом мислення й формувати специфічні тривимірні структури. Функція впізнавання є базою специфічного катализа.

• Каталитическая функція: специфічний каталіз хімічних реакцій рибозимами. Ця функція аналогічна энзиматической функції білківферментов.

У цілому нині РНК постає маємо таким надзвичайним полімером, що, начебто, ні в часі еволюції Всесвіту, ні інтелекту Творця на повинен було б вистачити їхньому винахід. Як можна було, РНК здатна виконувати функції обох принципово важливих не для життя полімерів — ДНК і білків. Не дивно, і наукою і став питання: а чи не чи міг виникнення і самодостатнє існування світу РНК передувати появі життя жінок у її сучасною ДНК-белковой форме?

5.4. Виділення рибонуклеиновых кислот.

Методи, використовувані для екстракції рибонуклеиновых кислот, частково залежить від природи органу чи організму. У одному з ранніх методів, який я використав Левиным, до рясному тесту з дріжджів додавали луг, суміш перемішували з пікринової кислотою, фільтрували і нуклеїнову кислоту брали в облогу з фільтрату додаванням соляної кислоти. Така досить жорстка обробка сприяла з того що отримана нуклеїнова кислота значно відрізнялася від «нативной» рибонуклеиновой кислоти. Для виділення рибонуклеиновых кислот, майбутніх структурою до нуклеиновым кислотам живою клітиною, необхідно уникати застосування жорстких умов (рН, температура) до того ж час необхідно, наскільки можна, загальмувати ферментативний розпад. Широко застосовувалася екстракція рибонуклеопротеидов изотоническим розчином хлористого натрію. Бєлки від нуклеїнових кислот може бути отщеплены різними методами, такі як обробка сумішами хлороформу з октиловым спиртом, додецилсульфатом натрію, нітратом стронцію чи спиртом, і навіть розщеплення білкової фракції трипсином. І знову ефективність кожного з методів визначається природою рибонуклеопротеида. Для інактивації ферментів у процесі екстракції корисно застосування хлоргидрата гуанидина (денатурирующего агента); виділення рибонуклеиновых кислот і нативных рибонуклеопротеидов з дріжджів застосували метод, використовує адсорбцію рибонуклеаз на бентоните після попередньої обробки іонами цинка.

Особливі переваги має виділення рибонуклеиновых кислот з гомогенатов тканин ссавців, мікроорганізмів і вірусів екстракцією фенолом і води при кімнатної температурі, бо за цьому білки, й дезоксирибонуклеиновые кислоти випадають в осад, активність рибонуклеазы придушується і високополімерні продукти можна отримати із гарними виходами. Пряма екстракція дріжджів водним розчином фенолу було застосовано для препаративного отримання транспортних РНК.

5.5. Фракционирование.

Крім низки вірусних нуклеїнових кислот, більшість виділених полирибонуклеотидов, безперечно, є складні суміші, містять полімери з різноманітною довжиною ланцюга, нуклеотидної послідовністю і складом підстав (присутність або відсутність «мінорних» підстав). Є низка прийомів для часткового фракционирования, проте, доки розроблено задовільні методи характеристики, важко сказати ступінь чистоти чи гомогенності рибонуклеиновых кислот. У основу оцінки чистоти транспортних РНК, цих порівняно низькомолекулярних полирибонуклеотидов, може бути покладена їх ферментативна реакція з амінокислотами (через аминоациладенилаты), що, звісно, дозволяє оцінити й їх біохімічну однородность.

Методи фракционирования включають осадження нейтральними солями, електрофорез, хроматографію на фосфате кальцію і осадження днгидрострептомицином. Нещодавно для фракционирования рибонуклеиновых кислот було використано фракційна дисоціація комплексів нуклеїнова кислота — гистон, застосована раніше до дезоксинуклеиновым кислотам. В усіх життєвих фракціях ставлення 6-аминодо 6-кетонуклеозидам була близькою до одиниці. У деякою ступеня фракціонування відбувається за екстракції фенолом, може бути як результат диференціального зв’язування нуклеїнових кислот з білками. Анионообменные целюлози, такі як ЭКТЕОЛА і ДЭАЭ, широко застосовують у час для фракционирования як рибонуклеиновых кислот, включаючи специфічні для амінокислот транспортні РНК, а й рибонуклеопротеидов і навіть вірусних препаратів. Для элюирования зазвичай використовують розчини нейтральних або близьких до нейтральним солеи. Разючою особливістю методу є здатність цих ионообменников до поділу дуже широкого спектра речовин, починаючи з ізомерів мононуклеотидов і олігонуклеотидів з різноманітною довжиною ланцюга чи різного складу і закінчуючи полинуклеотидами надзвичайно високого молекулярного ваги. Опубліковано повідомлення про розмежування на колонках з ДЭАЭ-декстрана РНК, меченной валином, від немеченой акцепторной РНК. Для фракционирования рибонуклеиновых кислот було також застосовані модифіковані ионообменные целюлози, у яких до целюлозі з допомогою эпихлоргидрина приєднано нуклеозиды (замість триэтаноламина), особливо аденозин і гуанозин. Таке використання ЭКТЕОЛА-целлюлозы для фракционирования чи виділення інформаційної РНК, пов’язаної в момент з ДНК, грунтується на здатність до специфічного освіті водневих зв’язків: ЭКТЕОЛА пов’язує денатурированную ДНК даного організму (для элюирования ДНК необхідний розчинник надзвичайно високої іонній сили), а інформаційна РНК элюируется розчинами понижающейся іонної сили. З допомогою хроматографії на трет-аминоалкилированном крохмалі транспортна рибонуклеиновая кислота було поділено на фракції виходячи з підвищеного спорідненості до тирозину і лейцину. Хроматографія на оксиапатите дає хороше поділ рибонуклеиновых кислот, специфічних для валина і фенилаланина.

У другому методі, що має значну потенційну цінність, використовується поперечно шитий полидиазостирол, отриманий у результаті реакції полиаминостирола з азотистої кислотою; метод грунтується на спостереженнях, що сполуки дназония легко реагують з декотрими амінокислотами із заснуванням ковалентно пов’язаних похідних. У межах рН від 7 до 8,5 швидко реагують лише тирозин і гистидин. Препарати транспортних РНК, повністю этерифицированные амінокислотами, розворушували з нерастворимым полидиазостиролом, який реагував тільки з нуклеїновими кислотами, міченими тирозином і гистидином. [pic].

Подальша очищення досягалася повторної этерификацией тирозином при використанні очищеного тирозин-активнрующего ферменту і повторної обробкою полидиазостиролом. З неэтерифицированной специфічною до гистидину рибонуклеиновой кислотою реакції було, і її залишалася в розчині, тоді як специфічна до тирозину нуклеїнова кислота звільнялася, як й раніше, при обробці лугом в м’яких умовах. Обидві фракції отримані майже чистими стосовно них аминокислотоакцепторной специфічності. Попередні спостереження показали, що специфічна до валину рибонуклеиновая кислота, цілком можливо, то, можливо этерифицирована дипептидом тирозилвалином.

6. ПРИРОДА МЕЖНУКЛЕОТИДНЫХ СВЯЗЕЙ.

А роботи з визначенню способу сполуки нуклеотидів в полімерних молекулах НК були успішно завершено початку 1950;х років відразу по тому, якою була встановлено структура нуклеотидів і вивчені деякі властивості їх похідних (переважно ефірів). А до того часу розробили методи виділення, тож очищення ДНК і РНК, отже дослідження природи межмономерных зв’язків проводилося з допомогою чистих, хоча й дуже деградованих препаратів НК.

Перші інформацію про типі межмономерной, чи, як його прийнято називати, межнуклеотидной зв’язку отримано з допомогою потенциометрического титрування. Ці дані свідчили про наявність як і РНК, і у ДНК лише однієї гидроксильной групи в кожній фосфатной групи. З цього було зроблено висновок, що НК містить структурну одиницю дизамещенной фосфорної кислоты.

Природно було очікувати, що фосфатні залишки «зшивають» нуклеозиды з допомогою своїх гідроксилів, а сам вільним. Залишалося з’ясувати, які частини нуклеозидных фрагментів беруть участь у освіті зв’язки України із фосфатними группами.

Оскільки НК може бути дезаминированы дією азотистої кислоти, очевидно, що аминогруппы пиримидиновых і пуриновых підстав не приймають участі у освіті межнуклеотидной зв’язку. До того ж потенціометричне титрування вказувало, як і оксо (окси)-группы залишків гуанина і урацила, входять до складу НК, вільні. З цих даних було зроблено висновок у тому, що межнуклеотидные зв’язку утворені фосфатной групою — і гидроксильными групами вуглеводневих залишків (т. е. що є фосфодиэфирными), які, отже, і є відповідальними що за утворення полімерної ланцюга (НК). Отже, те, що прийнято зазвичай називати межнуклеотидной зв’язком, є по суті вузол, до складу якого систему связей:

[pic].

(де З — первинний чи вторинний атоми вуглецю залишку вуглеводу). При гідролізі ДНК і РНК залежно та умовами реакції, утворюються нуклеотиди з різними становищем фосфатного остатка:

[pic].

Якщо припустити, що у НК все межнуклеотидные зв’язку ідентичні, то, очевидно, що можуть включати крім фосфатного залишку лише З «- гидроксильную групу одного нуклеозидного ланки і п’яти «-гидроксильную групу іншого нуклеозидного ланки (3 «—У-связь). У разі їх нерівноцінності в полімерної ланцюга ДНК міг би одночасно існувати три типу зв’язків: 3 «—5 », 3 «—3 «і п’яти «—5 ». Для РНК з допомогою участі 2/-гидpoкcилыIoй групи число типів зв’язку повинно бути ще больше.

Встановити справжню природу межнуклеотидных зв’язків в нативных ДНК і РНК вдалося внаслідок спрямованого розщеплення біополімерів з допомогою хімічного і ферментативного гідролізу і наступного виділення, тож ідентифікації отриманих у своїй фрагментов.

6.1. Межнуклеотидная зв’язок в ДНК.

Хімічний гідроліз ДНК для встановлення природи межнуклеотидной зв’язку опинився практично непридатним. ДНК не розщеплюється при лужних значеннях рН, що добре цілком узгоджується з припущенням про фосфодиэфирной природі межнуклеотидной зв’язку. Після обробітку кислотою навіть у м’яких умовах ДНК розщеплюється як у фосфодиэфирным, і по N-гликозидным зв’язкам, освіченим пуриновыми підставами. У результаті розщеплення полімеру протікає неоднозначно, але з харчів кислотного гідролізу ДНК таки вдалося виділити дифосфаты пиримидиновых дезоксинуклеозидов, які виявилися ідентичними синтетичним 3 ", 5 «-дифосфатам дезоксицитидина і дезокситимидина:

[pic].

Але тут важливо відзначити, що наявність цих сполук, у продуктах деградації ДНК свідчить про участь обох гідроксильних груп, по крайньої мері пиримидиновых мономерных компонентів, освіти межнуклеотидной связи.

Більше специфічним виявилося ферментативное розщеплення ДНК. При обробці препаратів ДНК фосфодиэстеразой (ФДЭ) зміїного отрути полімер практично цілком гидролизуется до дезоксинуклеозид-5 «-фосфатів, структура яких було встановлено порівнянням з відповідними нуклеотидами, отриманими зустрічним синтезом.

[pic].

Ці дані засвідчують участі 5 «-гідроксильних груп всіх чотирьох дезоксинуклеозидов, входять до складу ДНК, освіти межнуклеотидной зв’язку. Аналогічно, але до 3 «-фосфатів дезоксинуклеозидов розщеплюється ДНК у присутності ФДЭ, виділеної з микрококков або з селезенки.

[pic].

Дані гідролізу ДНК фосфодиэстеразами різної специфічності стає зрозуміло, що зв’язок нуклеозидных залишків в ДНК здійснюється фосфатной групою, котра водночас этерифицирует гидроксильную групу у вторинного атома вуглецю (становище 3 ") одного нуклеозидного ланки і гидроксильную групу у первинного атома вуглецю (становище 5 ") — іншого нуклеотидного звена.

Отже, було переконливо доведено, що у ДНК межнуклеотидная зв’язок здійснюється з допомогою фосфатной групи, і навіть 3 «- і п’яти «- гідроксильних груп нуклеозидных залишків [(чи (б) — напрями розщеплення полинуклеотидной ланцюга ДНК фосфодиэстеразами відповідно зміїного отрути і селезінки чи микрококков]:

[pic].

Припущення про можливість іншого будівлі полімеру з регулярно перемежованими зв’язками нуклеозидных залишків на кшталт 3 «—3 «і п’яти «—5 «було відкинуто, бо вона не задовольняло всім експериментальним даним. Так, полімер подібного типу він не мусив б цілком гидролизоваться (до мономерів) у присутності ФДЭ зміїного отрути, вибірково расщепляющей лише алкиловые ефіри нуклеозид-5 «-фосфатів. Те ж саме сказати про ФДЭ селезінки, селективно гидролизирующей алкиловые ефіри нуклеозид-3 «- фосфатов.

6.2. Межнуклеотидная зв’язок в РНК.

Більше складним виявився питання природі межнуклеотидной зв’язку в РНК. Уже перших етапах вивчення будівлі РНК було встановлено факт надзвичайної нестійкості се при лужному гідролізі. Основними продуктами лужного гідролізу РНК є рибонуклсозид-2 «- і рибонуклеозид-З «-фосфати, які утворюються практично на рівних количествах.

[pic].

Рибонуклеозид-5 «-фосфати у своїй не утворюються. Ці дані не вкладалися у ставлення до фосфодиэфирной природі межнуклеотидной зв’язку в РНК і конче потребували усебічне вивчення. Дуже значної ролі у тому дослідженні, яке виконали на початку 50-х рр. Тодд з працівниками, зіграли синтетичні алкиловые ефіри рибонуклеотидов, хто був отримані спеціально, щоб промоделировать той чи інший тип фосфодиэфирной связи.

Отримані школою Тодда даних про механізмах перетворення алкиловых ефірів рибонуклеотидов в лужної середовищі дозволили припустити, що у РНК, як і й у ДНК, межнуклеотидная зв’язок здійснюється фосфатной групою і трьох «- і п’яти «-гидроксильными групами вуглеводневих залишків. Така зв’язок в РНК повинна дуже просто розщеплюватися в лужної середовищі, оскільки сусідня 2 «- гидроксильная група повинна каталізувати той процес при рН>10, коли починається іонізація гідроксильних груп рибозы. Конче важливо підкреслити, що проміжними сполуками при лужному розщепленні мають об'єднатися всі чотири рибонуклеозид-2 », З «-циклофосфата, а кінцевими — які утворюються за її гідролізі рибонуклеозид-3 «-фосфати і рибонуклеозид-2 «-фосфати (чотири пари изомеров).

Дані лужного гідролізу обмежили кількість можливих для РНК типів межнуклеотидных зв’язків, але з прояснили питання у тому, як побудований цей полимер.

Точніші інформацію про типі межнуклеотидной зв’язку в РНК, як й у разі ДНК, отримано з допомогою ферментативного гидролиза.

Гідроліз РНК з допомогою ФДЭ зміїного отрути, протекающий до рибонуклеозид-5 «-фосфатів, підтвердив вже прямим шляхом припущення про участі 5 «-гідроксильних груп у освіті фосфодиэфирной зв’язок між мономерными ланками. Пізніше це були остаточно встановлено в результаті відкриття фосфоролиза РНК у присутності ферменту полинуклеотидфосфорилазы (ПНФаза), що призводить освіті рибонуклеозид- 5 «-пирофосфатов:

[pic].

Отже, залишалося з’ясувати природу другий гидроксильной групи, що у освіті межнуклеотидной зв’язку. Частково вирішити це завдання допоміг іще одна фермент, використовуваний для спрямованого розщеплення РНК, — пиримидиловая рибонуклеаза (РНаза).

Раніше засвідчили, що це фермент розщеплює лише алкиловые ефіри пиримидиновых рибонуклеозид-3 «-фосфатів до рибонук-леозид-3 «-фосфатів (через проміжний рибонуклеозид-2 », З «-циклофосфат). Виявилося, що аналогічно цей фермент діє і РНК. У експериментах з будь-якими зразками очищеної РНК було знайдено, що його фосфорної кислоти, що утворюється при обробці полімеру послідовно пиримидиловой РНазой і фосфомоноэстеразой (ФМЭ), і навіть кількість иодной кислоти, затрачиваемой на наступне окислювання, еквівалентно кількості залишків пиримидинов у цьому зразку РНК. Це говорило за те, що по крайнього заходу пиримидиновые нуклеотиди в РНК пов’язані з іншими нуклеотидами лише за допомогою 3 «—5 «-межнук-леотидной зв’язку. Такий висновок підтверджують дані лужної обробки ферментативних гідролізатів РНК, отриманих після дії її у РНазы: в лужної середовищі міграція фосфатного залишку в рибонуклеозид-З «- і -2 «-фосфатах неможлива, та наявність у гидролизатах лише пиримидиновых рибонуклеозид-З «- фосфатів унаочнює 3 «—5 «-тип межнуклеотидной зв’язку для пиримидиновых нуклеотидов.

7. МАТРИЧНИЙ СИНТЕЗ ДНК.

Здатність клітин підтримувати високу упорядкованість своєї організації залежить від генетичної інформації, що зберігається у вигляді дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). ДНК — це хімічна речовина, з яких складаються гени. Розмноження живих організмів, передача спадкових властивостей з покоління до покоління та розвитку багатоклітинного організму з заплідненої яйцеклітини можливі оскільки ДНК здатна до самовідтворення. Сам процес самовідтворення ДНК називається репликацией. Іноді використовують також название-синоним — редупликация.

Як відомо, генетична інформація записана у подальшому ланцюгу ДНК як послідовності нуклеотидних залишків, містять одна з чотирьох гетероциклических підстав: аденін (A), гуанін (G), цитозин (З) і тимин (T). Запропонована Дж. Вотсоном і Ф. Кріком в 1953 року модель будівлі ДНК у вигляді регулярної подвійної спіралі відразу ж потрапляє дозволила зрозуміти принцип подвоєння ДНК. Інформаційне зміст обох ланцюгів ДНК ідентично, оскільки кожна з яких містить послідовність нуклеотидів, суворо відповідну послідовності інший ланцюга. Це відповідність досягається наявністю водневих перетинів поміж спрямованими назустріч одна одній підставами двох ланцюгів — попарно G і З чи A і T. Описуючи це властивість подвійної спіралі, молекулярні біологи кажуть, що ланцюга ДНК комплементарны з допомогою освіти уотсон-криковских пар GРC і AРT.

Оскільки дві ланцюга мають протилежної спрямованості, їх називають антипараллельными. Легко уявити, що нині подвоєння ДНК відбувається через те, що ланцюга розходяться, і потім кожна ланцюг служить матрицею, де збирається комплементарная їй нова ланцюг ДНК. Через війну утворюються дві дочірні, двуспиральные, неотличимые за будовою від батьківської ДНК молекули. Кожна полягає з ланцюжка вихідної батьківської молекули ДНК та однієї знову синтезованою ланцюга. Такий механізм реплікації ДНК, у якому від однієї покоління до іншого передається одне з двох ланцюгів, складових батьківську молекулу ДНК, отримав назву полуконсервативного і він експериментально доведено в 1958 року М. Мезельсоном і Ф. Сталь.

З іншого боку, ситезу ДНК характерні такі властивості, як антипараллельность і униполярность. Кожна ланцюг ДНК має певну орієнтацію. Один кінець несе гидроксильную групу (ВІН), приєднаної до 3 «- вуглецю цукрі дезоксирибозе, іншому кінці ланцюга перебуває залишок фосфорної кислоти в розмірі 5 «-становищі цукру. Дві комплементарные ланцюзі у молекулі ДНК орієнтовані в протилежних напрямах — антипараллельно (при паралельної орієнтації навпаки 3 «-кінці однієї ланцюга працював би 3 «- кінець інший). Ферменти, синтезирующие нові нитки ДНК, звані ДНКполимеразами, можуть пересуватися вздовж матричних ланцюгів є лише одна напрямі - від своїх 3 «-кінців до 5 «-кінців. У цьому синтез комплементарных ниток завжди ведеться в розмірі 5 «3 «напрямі, тобто униполярно. Тож у процесі реплікації одночасний синтез нових ланцюгів йде антипараллельно.

ДНК-полимеразы можуть надавати «позадкувати », тобто рухатися у напрямі 3 «5 ». У разі, коли останнє доданий при синтезі нуклеотидное ланка виявилося некомплементарным нуклеотиду матричної ланцюга, він буде замінено комплементарних нуклеотидом. Отщепив «неправильний «нуклеотид, ДНК-полимераза продовжує синтез в розмірі 5 «3 «напрямі. Така спроможність до виправленню помилок отримав назву коректорської функції фермента.

7.1. ДНК-полимеразы.

У 1957 року А. Корнберг виявив у кишкової палички фермент, катализирующий процес полімеризації ДНК з нуклеотидів; він було названо ДНКполимеразой. Потім ДНК-полимеразы виявили та інших організмах. Було показано, що субстратами всіх таких ферментів служать дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (дНТФ), полимеризующиеся на одноцепочной ДНКматриці. ДНК-полимеразы послідовно нарощують одноцепочную ланцюг ДНК, крок по кроку приєднуючи до неї такі ланки у бік від 5- «до 3 «- кінцю, причому вибір чергового дНТФ диктується матрицею. Приєднання кожної нової нуклеотидного залишку до 3 «-кінцю зростання ланцюга супроводжується гидролизом багатою енергією зв’язок між перших вражень і другим фосфатними залишками в дНТФ і отщеплением пирофосфата, що робить реакцію в цілому енергетично выгодной.

У клітинах зазвичай присутній кілька типів ДНК-полимераз, що виконують різні функції і має різне будова. Вони може бути побудовано з різноманітної кількості білкових ланцюгів (субодиниць), від однієї до десятків, проте вони працюють будь-яких послідовностях нуклеотидів матриці. Завдання цих ферментів — зробити на точну копію кожної матрицы.

7.2. Точність синтезу ДНК і механізм коррекции.

Генетичний матеріал живих організмів має величезні розміри і реплицируется з точністю. У середньому у процесі відтворення геному ссавця, що складається з ДНК довжиною 3 мільярда пар нуклеотидів, виникає трохи більше трьох помилок. У цьому ДНК синтезується з надзвичайною швидкістю: швидкість її полімеризації коливається не більше від 500 нуклеотидів в секунду у бактерій, до 50 нуклеотидів в секунду у млекопитающих).

Висока точність реплікації, поруч із її високої швидкістю, забезпечується наявністю спеціальних механізмів, здійснюють корекцію, тобто усувають помилки. Суть механізму корекції у тому, що ДНК-полимеразы двічі перевіряють відповідність кожного нуклеотида матриці: одного разу перед включенням його до складу зростання кайдани й посадили вдруге перед тим, як включити наступний нуклеотид. Чергова фосфодиэфирная зв’язок синтезується лише тому випадку, якщо (3 «-кінцевий) нуклеотид зростання ланцюга ДНК утворив правильну уотсон-криковскую пару з відповідним нуклеотидом матриці. Якщо ж попередньої стадії реакції сталося помилкове спарювання підстав, то подальша полімеризація зупиняється до того часу, поки помилка нічого очікувати виправлено. І тому фермент переміщається у напрямі і вирізує останнє доданий ланка, після що його місце триватиме правильний нуклеотидпредшественник. Інакше кажучи, багато (але не) ДНК-полимеразы мають, крім 5 «-3 «-синтетичної активності, що й 3 «-гидролизующей активністю, що забезпечує видалення помилково спарених з матрицею нуклеотидов.

8. ОСНОВНІ ПРИНЦИПИ РЕПЛИКАЦИИ.

Основні правила, відповідно до яких відбувається реплікація, розкрили в дослідах з бактеріями, але вони справедливі також і вищих организмов.

8.1. Ініціація ланцюгів ДНК.

ДНК-полимеразы що неспроможні починати синтезу ДНК на матриці, а здатні лише додавати нові дезоксирибонуклеотидные ланки до 3 «-кінцю вже наявної полинуклеотидной ланцюга. Таку заздалегідь освічену ланцюг, до котрої я додаються нуклеотиди, називають запалом. Коротку РНКприманку синтезує з рибонуклеозидтрифосфатов фермент, який володіє коригуючої активністю і званий ДНК-праймазой (від анг. primer — запал). Праймазная активність може належати або окремому ферменту, або одній з субодиниць ДНК-полимеразы. Запал, синтезована цим неточним ферментом, не він умів виправляти помилки, відрізняється від решти новосинтезированной ланцюга ДНК, оскільки складається з рибонуклеотидов, і далі то, можливо удалена.

Розмір рибонуклеотидной початку невеликий (менш 20 нуклеотидів) в порівнянні з розміром ланцюга ДНК, образуемой ДНК-полимеразой. Виконала свою функцію РНК-затравка видаляється спеціальним ферментом, а освічена при цьому пролом зашпаровується ДНК-полимеразой, використовує як початку 3 «-ОН-конец сусіднього фрагмента. Видалення крайніх РНК-праймеров, комплементарных 3 «-кінців обох ланцюгів лінійної материнської молекули ДНК, призводить до того, що дочірні ланцюга виявляються коротше на 10−20 нуклеотидів (в різних видів розмір РНК-затравок різний). У цьому полягає так звана «проблема недорепликации кінців лінійних молекул ». Що стосується реплікації кільцевих бактеріальних ДНК цієї проблеми немає, оскільки перші за часом образованиЯ РНК-затравки видаляються ферментом, який одночасно заповнює образующуюся пролом шляхом нарощування 3 «-ОН-конца зростання ланцюга ДНК, спрямованої на «хвіст «удаляемому праймеру. Проблема недорепликации 3 «-кінців лінійних молекул ДНК вирішується эукариотическими клітинами з допомогою спеціального ферменту — теломеразы. У 1985 року він був виявлено у равноресничной інфузорії Tetrahymena thermophila, а згодом — в дріжджах, рослинах і тварин, зокрема в яєчниках человека.

Теломераза є ДНК-полимеразой, достраивающей 3 «-кінці лінійних молекул ДНК хромосом короткими (6−8 нуклеотидів) повторюваними послідовностями (у хребетних TTAGGG). Відповідно до номенклатурі, цей фермент називають ДНКнуклеотидилэкзотрансферазой чи теломерной термінальній трансферазой. Крім білкової частини теломераза містить РНК, виконує роль матриці нарощування ДНК повторами. Довжина теломеразной РНК коштує від 150 нуклеотидів в найпростіших до 1400 нуклеотидів у дріжджів, в людини — 450 нуклеотидів. Сам наявність в молекулі РНК послідовності, за якою відбувається матричний синтез шматка ДНК, дозволяє віднести теломеразу до своєрідну обернену транскриптазе, тобто ферменту, здатному вести синтез ДНК по матриці РНК.

Через війну те, що після кожної реплікації дочірні ланцюга ДНК виявляються коротше материнських на розмір першого РНК-праймера (10−20 нуклеотидів), утворюються виступаючі однонитевые 3 «-кінці материнських ланцюгів. Ось і впізнаються теломеразой, яка послідовно нарощує материнські ланцюга (в людини на сотні повторів), використовуючи 3 «-ОН-концы в ролі запалів, а РНК, входить у склад ферменту, як матриці. Які Утворюються довгі одноцепочные кінці, своєю чергою, служать матрицями для синтезу дочірніх ланцюгів традиційним репликативному механизму.

Поступове скорочення ДНК хромосом під час реплікації є одній з теорій «старіння «клітинних колоній. Ще 1971 року вітчизняний учений А. М. Оловников у своїй теорії маргинотомии (від латів. marginalisкрайової, tome — перетин) припустив, що це явище є основою обмеженого потенціалу подвоєння, спостережуваного у нормальних соматичних клітин. Американський учений Леонард Хейфлик на початку 1960;х років показав, що й для культивування взяти клітини новонароджених дітей, вони можуть пройти 80−90 ділень, тоді як соматичні клітини від 70-річних поділяються лише 20- 30 раз. Обмеження на число клітинних ділень і називають лімітом Хейфлика.

8.2. Расплетение подвійної спіралі ДНК.

Оскільки синтез ДНК відбувається на одноцепочечной матриці, йому має передувати обов’язкове поділ (хоча на час) двох ланцюгів ДНК. Дослідження, проведені у початку 1960;х років на реплицирующихся хромосомах, виявили особливу, чітко обмежену область реплікації, перемещающуюся вздовж батьківської спіралі ДНК і що характеризується місцевим розбіжністю двох її ланцюгів. Ця активна область через свою Y-образной форми було названо репликационной виделкою. Саме ній ДНК-полимеразы синтезують дочірні молекули ДНК.

З допомогою електронної мікроскопії реплицирующейся ДНК вдалося встановити, що область, що вже реплицирована, має вигляд ока всередині нереплицировавшейся ДНК. Важливо, що репликационный око утворюється лише у місцях молекули, де є специфічні нуклеотидные послідовності. Ці послідовності, отримали назва точок початку реплікації, складаються приблизно з 300 нуклеотидів. Залежно від цього, щодо одного чи двох напрямах відбувається реплікація (але це залежить від природи організму), око містить одну чи дві репликационные виделки. Послідовне рух репликационной виделки призводить до розширенню глазка.

Подвійна спіраль ДНК дуже стабільна; щоб вона розкрилася, необхідні особливі білки. Спеціальні ферменти ДНК-хеликазы швидко рухаються по одиночній ланцюга ДНК, використовуючи для переміщення енергію гідролізу ATФ. Зустрічаючи по дорозі ділянку подвійної спіралі, вони розривають водневі зв’язку між підставами, поділяють кайдани й посадили просувають репликационную виделку. Слідом для цього з одиночними ланцюгами ДНК зв’язуються спеціальні дестабілізуючі спіраль білки, які дозволяють одиночним ланцюгах ДНК зімкнуться. При цьому вони закривають підстав ДНК, залишаючи їх доступними для спаривания.

Не слід забувати, що комплементарные ланцюга ДНК закручені друг навколо друга в спіраль. Отже, щоб репликационная виделка могла просуватися вперед, вся ще подвоєна частина ДНК мусила нас дуже швидко обертатися. Ця топологічна проблема вирішується шляхом освіти у спіралі свого роду «шарнірів », дозволяють ланцюгах ДНК розкрутитися. Належать до класу білки, звані ДНКтопоизомеразами, вносять в ланцюг ДНК однечи двохцепочные розриви, дозволяють ланцюгах ДНК розділитися, та був зашпаровують ці розриви. Топоизомеразы беруть участь й у расцеплении зацепленных двухцепочечных кілець, які виникають при реплікації кільцевих двунитевых ДНК. З допомогою цих важливих ферментів подвійна спіраль ДНК у клітині може приймати «недокрученную «форму із меншим числом витків; у такому ДНК легше відбувається розбіжність двох ланцюгів ДНК в репликационной вилке.

8.3. Переривчастий синтез ДНК.

Легко уявити, що реплікація відбувається шляхом безперервного зростання нуклеотида за нуклеотидом обох нових ланцюгів принаймні переміщення репликационной виделки; у своїй, оскільки дві ланцюзі у спіралі ДНК антипараллельны, одне з дочірніх ланцюгів мусила зростати у бік 5 «-3 », а в напрямі 3 «-5 ». Насправді, проте, виявилося, що дочірні ланцюга ростуть лише у напрямі 5 «-3 », тобто завжди подовжується 3 «-кінець початку, а матриця зчитується ДНК-полимеразой в напрямі 3 «-5 » .Це твердження здавалося б здається несумісним із рухом репликационной виделки щодо одного напрямі, сопровождающемся одночасним зчитуванням двох антипараллельных нитей.

Розгадка секрету у тому, що синтез ДНК відбувається безупинно лише з одній з матричної ланцюгів. У другий матричної ланцюга ДНК синтезується порівняно короткими фрагментами (довжиною від 100до 1000 нуклеотидів, залежно від виду), названими під назвою який знайшов їх вченого фрагментами Оказаки. Новостворена ланцюг, яка синтезується безупинно, називається провідною, іншу, встановлена з фрагментів Оказаки, відстаючої. Синтез кожного з цих фрагментів починається з РНК-затравки. Невдовзі РНК-затравки видаляються, проломи забудовуються ДНКполимеразой і фрагменти зшиваються до однієї безперервну ланцюг ДНК спеціальним ферментом.

8.4. Кооперативний дію білків репликационной вилки.

До цього часу ми згадали участі окремих білків в реплікації так, начебто вони працюють незалежно друг від друга. Водночас у дійсності велику частину цих білків об'єднана у великий комплекс, який швидко рухається вздовж ДНК і узгоджено здійснює процес реплікації з точністю. Цей комплекс порівнюють із крихітної «швейної машиною »: «деталями «його служать білки, а джерелом енергії - реакція гідролізу нуклеозидтрифосфатов. Спіраль расплетается ДНКхеликазой; цього процесу допомагають ДНК — топоизомераза, раскручивающая ланцюга ДНК, і безліч молекул дестабілізуючого білка, связывающихся з обома одиночними ланцюгами ДНК.

У сфері виделки діють дві ДНК-полимеразы — на провідною і відстаючої ланцюга. На провідною ланцюга ДНК-полимераза працює безупинно, але в відстаючої фермент раз у раз перериває і знову відновлює своєї роботи, використовуючи короткі РНК-затравки, синтезовані ДНК-праймазой. Молекула ДНКпраймазы безпосередньо з ДНК-хеликазой, створюючи структуру, звану праймосомой. Праймосома рухається у бік раскрывания репликационной виделки і з плином руху синтезує РНК-затравку для фрагментів Оказаки. У цьому напрямі рухається ДНК-полимераза провідною кайдани й посадили, хоча погляд важко уявити, ДНК-полимераза відстаючої ланцюга. І тому, як вважають, остання накладає ланцюг ДНК, яка служить їй матрицею, саму він, як і забезпечує розворот ДНКполимеразы відстаючої ланцюга на 180 градусів. Злагоджений рух двох ДНКполимераз забезпечує координовану репликацию обох ниток. Таким чином, в репликационной вилці одночасно працюють майже двадцять різних білків (з яких ми назвали тільки п’яту частину), здійснюючи складний, высокоупорядоченный і енергоємний процесс.

8.5. Узгодженість процесів реплікації ДНК та клітинної деления.

Эукариотическая клітина перед кожним розподілом повинна синтезувати копії всіх своїх хромосом. Реплікація ДНК эукариотической хромосоми здійснюється з допомогою разделени хромосоми силою-силенною окремих репликонов. Такі репликоны активуються в повному обсязі одночасно, проте клітинному діленню має обов’язкова однократна реплікація кожного з них.

З сказаного ясно, що у хромосомі эукариот у кожний час може рухатися незалежно друг від друга безліч репликационных виделок. Зупинка просування виделки відбувається за зіткненні з іншого виделкою, що просувалася у напрямі, чи з досягненні кінця хромосоми. Через війну вся ДНК хромосоми в стислі терміни виявляється реплицированной. Після складання на молекулі ДНК хромосомних білків кожна пара хромосом у процесі мітозу упорядоченно поділяється по дочірнім клеткам.

9.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

У моєму роботі намагалася дати раду такий проблемі, як походження разом із продовженням життя, і вкотре переконалася, що це нас навколишнє - це результат з'єднання перетворені на різної послідовністю хімічних елементів. У процесі виконання роботи тим більше переконувалася, що організувати неможливо пізнати і пояснити загадку походження життя без будь-яких знання органічної хімії. Нерозривно пов’язані з хімією і биология.

Майже півстоліття тому відкрили принцип структурної (молекулярної) організації генного речовини — дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Структура ДНК дала ключі до механізму точного відтворення генного речовини. Так виникла нова наука — молекулярної біології. Була сформульована так звана центральна догма молекулярної біології: ДНК — РНК — білок. Сенс її у тому, що генетична інформація, записаний у ДНК, реалізується у вигляді білків, але з безпосередньо, а ще через посередництво родинного полімеру — рибонуклеиновую кислоту (РНК), і це шлях від нуклеїнових кислот до білків необоротний. Отже, ДНК синтезується на ДНК, забезпечуючи власне відтворення вихідного генетичного матеріалу в поколіннях; РНК синтезується на ДНК, в результаті чого відбувається переписування, чи транскрипція, генетичної інформацією форму численних копій РНК; молекули РНК служать матрицями для синтезу білків — генетична інформація транслюється до форми полипептидных ланцюгів. Отже, саме ДНК визначає спадковість організмів, тобто воспроизводящийся в поколіннях набір білків і пов’язаних із нею ознак. Біосинтез білка є процесом живої матерії, а нуклеїнові кислоти забезпечують його, з одного боку, програмою, визначальною весь набір та специфіку синтезованих білків, і з інший — механізмом точного відтворення програмних засобів в поколіннях. Отже, походження у її сучасної клітинної формі зводиться до виникнення механізму наследуемого біосинтезу белков.

10.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

.

1. М. Грін, У. Стаут, Д. Тейлор — Біологія. 2. З. А. Шабарова і А. А. Богданов — Хімія нуклеїнових кислот та його полімерів. 3. О. П. Пехов — Біологія і загальна гинетика. 4. А. Микельсон — Хімія нуклеозидов і нуклеотидів. 5. Гауптман, Ю. Грефе, Х. Ремане — Органічна хімія. 6. Опарін А.І. Виникнення життя Землі (3-тє вид.). 7. Альтштейн А. Д. Походження генетичної системи: гіпотеза прогенов 8. Б. А. Павлов, А. П. Терентьев «Курс органічної химии».