Биосинтез нуклеиновых кислот

Министерство  по образованию Российской Федерации 
 

Кафедра органической химии 
 
 
 

  
 
 
 

Семестровая работа

по дисциплине:

«Основы биохимии»

на тему:

 «Биосинтез  нуклеиновых кислот»

                                              

         

 
 
 
 
 

  
 
 
 
 

Волгоград 2010.

 

Содержание 

Введение                                                                                                                   3

1 Структура  нуклеиновых кислот

   1.1 Первичная  структура          4

   1.2 Дезоксирибонуклеиновые  кислоты       6

   1.3 Рибонуклеиновые кислоты          8

2 Биосинтез нуклеиновых кислот

  2.1 Репликация                   10

   2.2 Транскрипция                                                                                            13

   2.3 Трансляция                          19

Заключение                   21

Список использованной литературы               22 
         Введение  

      Нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды), биополимеры,  осуществляющие хранение и передачу генетической информации во всех живых организмах, а также участвующие в биосинтезе белков.

      Нуклеиновой кислоты открыты в 1869-1872 г. Ф. Мишером в ядрах (отсюда называется от лат. nucleus-ядро) клеток гноя и в сперме лосося. В 1889 г. Р. Альтман выделил их в чистом виде (им же предложен термин «нуклеиновой кислоты»). В 1944 О. Эйвери показал, что с помощью ДНК наследств. признаки могут быть  переданы от одной клетки к другой и что ДНК, таким образом, является «веществом наследственности».

      Макромолекулярную структура ДНК (двойная спираль) установлена в 1953г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком на основании данных рентгеноструктурного анализа, полученных Р. Франклин и М. Уилкинсом. Нуклеотидный состав ДНК и РНК из многих объектов изучен Э. Чаргаффом и А. Н. Белозерским в 40-50-х гг.

      Изучение  первичной структуры нуклеиновых кислот начато с середины 60-х гг. с установления нуклеотидной последовательности тРНК (Р. Холли). Функции большинства РНК установлены к началу 60-х гг. Было показано, что они участвуют в реализации генетической информации, закодированной в ДНК.

      Начиная с середины 70-х гг. создавались методы получения рекомбинантных нуклеиновой кислоты (образуются, напр., в результате встраивания участка ДНК, в т.ч. гена, в плазмиду), которые существенно расширили возможности структурно-функционального исследований Нуклеиновой кислоты и создали базу для использования достижений молекулярной биологии и генетики в биотехнологии.

 

        1 Структура нуклеиновых кислот

       1.1 Первичная структура

       Нуклеиновая кислота представляет собой последовательность остатков нуклеотидов. Последние в  молекуле нуклеиновой кислоты образуют неразветвленные цепи. В зависимости от природы углеводного остатка в нуклеотиде (D-дезоксирибозы или D-рибозы) нуклеиновой кислоты подразделяют соответственно на дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК) кислоты.

       В молекуле ДНК гетероциклы, входящие в остаток нуклеотида, представлены двумя пуриновыми основаниями – адeнином и гуанином, и двумя пиримидиновыми основаниями – тимином и цитозином; РНК вместо тимина содержит урацил. Кроме того, в нуклеиновой кислоты в небольших количествах обнаруживаются модифицированные (в основном метилированные) остатки нуклеозидов – минорные нуклеозиды, которыми особенно богаты транспортные рибонуклеиновые кислоты (тРНК).

       Отдельные нуклеотидные остатки связаны между  собой в полинуклеотидных цепях 3′-5′-фосфодиэфирными связями (рисунок 1). Стандартная запись нуклеотидной последовательности осуществляется в направлении от 5′-конца к 3′-концу (каждый нуклеотид обозначают буквой, присвоенной основанию, которое он содержит; например, последовательность приведенного участка ДНК записывается как ACGT).

       Свойства ДНК и РНК различны. Так, РНК легко расщепляется щелочами до мононуклеотидов (благодаря наличию группы 2′-ОН), в то время как полинуклеотидные цепи ДНК в тех же условиях стабильны. Это структурное различие определяет и меньшую устойчивость к воздействию кислот N-гликозидных связей (связь между гетероциклом и остатком рибозы) в ДНК по сравнению с РНК. 

Рисунок 1 - Структура нуклеиновых кислот

 

        1.2 Дезоксирибонуклеиновые  кислоты

       Нуклеотидный  состав ДНК подчиняется ряду правил (правила Чаргаффа), важнейшее среди которых одинаковое содержание аденина и тимина, цитозина и гуанина у любой клеточной ДНК. Нуклеотидный состав РНК подобным правилам не подчиняется.

       Пространственная структура ДНК описывается как комплекс двух полинуклеотидных антипараллельных цепей (рисунок 2), закрученных относительно общей оси, так что углевод-фосфатные цепи составляют периферию молекулы, а азотсодержащие гетероциклы направлены внутрь (двойная спираль Уотсона-Крика). Антипараллельность полинуклеотидных цепей выражается в том, что на одном и том же конце спирали одна полинуклеотидная цепь содержит (незамещенную или замещенную) группу 5′-ОН, а другая 3′-ОН. Фундаментальное свойство двойной спирали ДНК состоит в том, что ее цепи комплементарны друг другу вследствие того, что напротив аденина одной цепи всегда находится тимин другой цепи, а напротив цитозина всегда находится гуанина. Комплементарное спаривание аденина с тимином и цитозина с гуанин осуществляется посредством водородных связей.

       Классическая двойная спираль Уотсона-Крика получила название В-формы ДНК. Она правозакрученная, плоскости гетероциклических оснований перпендикулярны оси спирали, а число пар остатков нуклеотидов на один виток спирали равно примерно 10; расстояние между витками 3,4 нм. При изменении ионной силы и состава растворителя двойная спираль изменяет свою форму и даже может превращаться в левозакрученную спираль (Z-форму), которая содержит в одном витке около 12 остатков нуклеотидов. При дегидратации В-формы образуется А-форма ДНК-правозакрученная двойная спираль, содержащая в одном витке около 11 остатков нуклеотидов, плоскости гетероцикличных оснований повернуты примерно на 20° относительно перпендикуляра к оси спирали. Двойная спираль ДНК способна денатурировать (например, при повышении температуры) с полным расхождением комплементарных цепей, которые сохраняют способность к ассоциации с восстановлением (рекатурацией) двойной спирали при возвращении к исходным условиям. Подробно изучены также конформации фрагментов ДНК.

 

Рисунок 2– Двойная спираль ДНК (стрелками показано направление полинуклеотидной цепи). 

       Установлено, что молекула ДНК в клетке представляет собой совокупность генов, регуляторных участков (последовательностей, связывающихся с регуляторными белками и управляющих уровнем экспрессии генов), районов, участвующих в организации генов в хромосомах, а также последовательностей, функции которых еще не известны.

       У прокариот (бактерии и синезеленые  водоросли) ДНК организована в виде компактного образования – нуклеотида, который содержит всю хромосомную ДНК клетки длиной в несколько миллионов пар нуклеотидов (м.п.н.). Кроме того, у многих прокариог и эукариот (все организмы, за исключением прокариот) обнаружены нехромосомные ДНК (плазмиды) размером от несколько тысяч пар нуклеотидов (т.п.н.) до несколько десятков т.п.н. (м.п.н. и т.п.н. – принятые единицы длины двухцепочечной молекулы нуклеиновой кислоты).

       Многие ДНК образуют кольцевые структуры. В том случае, если обе полинуклеотидные цепи ДНК ковалентно непрерывны, ДНК может находиться в сверхспирализованной (сверхскрученной) форме. В клетках сверхспирализация осуществляется ферментами ДНК-гиразами.

       Хромосомные ДНК эукариот локализованы в клеточном  ядре, где вместе с гистонами и  негистоновыми белками образуют хроматин-нуклеопротеид, из которого организованы хромосомы. Размеры ДНК в отдельных эукариотических хромосомах колеблются в широких пределах от 10³ до 10⁵ т.п.н.

       Геномы  многих вирусов бактерий (бактериофагов), животных и в более редких случаях растений представлены ДНК. Такие клеточные органеллы, как митохондрии и хлоропласты, имеют также свою собственную ДНК размером от нескольких десятков до нескольких сотен т.п.н.

       1.3 Рибонуклеиновые кислоты

       РНК, как правило, построены из одной  полинуклеотидной цепи, характерный  элемент вторичной структуры  которой – «шпильки», перемежающиеся однотяжевыми участками (рисунок 3). Шпилька – двутяжевая спиральная структура, образующаяся в результате комплементарного спаривания оснований (аденина с урацила и цитозина с гуанина). Шпильки и соединяющие их однотяжевые участки РНК укладываются в компактную третичную структуру.

Рисунок 3 – Участок РНК бактериофага 

       Для тРНК вторичная структура имеет  характерную форму, которую называют «клеверным листом». Известны редкие примеры целиком двуспиральных молекул РНК.

       Двуспиральные гибридные комплексы (ДНК и РНК) могут быть искусственно получены из комплементарных однотяжевых ДНК и РНК. Функционально активные РНК имеют размер от 70-150 до несколько тысяч нуклеотидных остатков.

       Известно  несколько типов РНК. Рибосомные рибонуклеиновые кислоты (рРНК), связываясь с рибосомными белками, образуют рибосомы, в которых осуществляется синтез белка. Матричные рибонуклеиновые кислоты (мРНК) служат матрицами для синтеза белков (трансляции). Транспортные рибонуклеиновые кислоты (тРНК) осуществляют связывание соответствующей аминокислоты и ее перенос к рибосомам. Обнаружены так называемые малые ядерные РНК, участвующие в превращение первичных продуктов транскрипции в функционирующие молекулы; антисмысловые РНК участвуют в регуляции биосинтеза белка и репликации плазмидных ДНК.

       В виде РНК представлены геномы многих вирусов (РНК-содержащие вирусы), в которых матрицами для синтеза РНК служат вирусные РНК. Некоторые РНК обладают ферментативной активностью, катализируя расщепление и образование фосфодиэфирных связей в своих собственных или других молекулах РНК.

       2 Биосинтез нуклеиновой кислоты

       2.1 Репликация 

 

     В основе биосинтеза нуклеиновых кислот, как и биосинтеза белков, лежит  матричный принцип, т.е. новая молекула строится на ранее существующей как ее отпечаток, или реплика.

     В случае ДНК происходит удвоение числа  молекул, и образованные молекулы являются точной копией материнских. Этот процесс  носит название репликации. При репликации возникает еще одна проблема. ДНК имеет двуспиральную структуру, в которой основания уже образуют комплементарные пары, а нити как бы намотаны одна на другую. Поэтому перед началом синтеза ДНК необходимо разделить нити и сделать основания доступными для образования новых пар. Этот процесс требует довольно больших затрат энергии, поскольку структура двойной спирали ДНК поддерживается большим числом водородных связей.

     Расплетание ДНК в клетке осуществляют специальные ферменты, называемые хеликазами (от лат. helix – спираль). Такой фермент движется вдоль молекулы ДНК и разделяет ее нити. Эти процессы осуществляются за счет энергии гидролиза АТФ, т.е. хеликазы являются также АТФазами. Молекулы ДНК имеют большую длину, а хеликазы, передвигаясь вдоль них, расплетают лишь небольшой участок, поэтому две нити ДНК не расходятся полностью.

     Возникшие в результате однонитевые участки  нестабильны. С одной стороны, они  стремятся восстановить двунитевую структуру, а т.к. они комплементарны и связаны друг с другом, это  может произойти легко и быстро. С другой стороны, однонитевая ДНК может легко разорваться. Поэтому образовавшиеся однонитевые участки покрываются специальным белком, связывающимся только с однонитевой ДНК, защищающим ее и мешающим ей восстановить двуспиральную структуру. Только после этого начинается синтез новой ДНК.

     Его проводит фермент ДНК-полимераза. Особенность этого фермента состоит в том, что он осуществляет присоединение новых нуклеотидов к концу уже существующей цепочки в том случае, если она связана с более длинной комплементарной цепью. Но после расплетания ДНК образовались однонитевые участки, а концов, которые можно было бы удлинять, нет. Поэтому перед началом работы ДНК-полимеразы специальный фермент синтезирует короткие молекулы РНК, служащие затравками, к концам которых ДНК-полимераза присоединяет нуклеотиды.