Головна ⇒ 📌Довідник з біології ⇒ Нуклеїнові кислоти – ДНК і РНК

Нуклеїнові кислоти – ДНК і РНК

МЕДИЧНА БІОЛОГІЯ

Розділ 1

БІОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ ЛЮДИНИ

1.2. Молекулярно-генетичний і клітинний рівні організації життя

1.2.3. Спадковий апарат еукаріотичних клітин і його функціонування на молекулярному рівні

1.2.3.2. Нуклеїнові кислоти – ДНК і РНК

Вперше нуклеїнові кислоти були виявлені Ф. Мішером у 1869 році.

Переконливі докази того, що саме з ДНК пов’язана передача спадкової інформації, отримані при вивченні вірусів. Проникаючи в клітину, вони вносять у неї лише нуклеїнову кислоту з дуже невеликою кількістю

білка, а вся білкова оболонка залишається поза клітиною. Отже, введена у клітину ДНК передає генетичну інформацію, необхідну для утворення такого ж біологічного виду. Виявлено, що чиста нуклеїнова кислота вірусу тютюнової мозаїки може заразити рослину і викликає типову картину захворювання. Більш того, вдалося штучно створити вегетативні “гібриди” із вірусів, у яких білковий футляр належить одному виду, а нуклеїнова кислота – іншому У таких випадках генетична інформація “гібридів” завжди з точністю відповідала тому вірусу, нуклеїнова кислота якого входила до складу “гібриду”.

Вагомі

докази ролі ДНК у передачі спадкової інформації отримані також в експериментах на мікроорганізмах завдяки явищам трансформації, трансдукції і кон’югації.

Трансформація (від лат. transformatio – перетворення) – включення чужорідної ДНК у геном клітини-хазяїна, що призводить до зміни її структурних і функціональних властивостей. Перенесення спадкової інформації від однієї клітини до іншої здійснюється за допомогою ДНК клітини-донора. Явище трансформації було виявлено в дослідах англійського мікробіолога Гріффітса (1928) (рис. 1.47).

Рис. 1.47. Трансформація.

Трансдукція (від лат. transductio – переміщення) полягає в тому, що віруси, залишивши бактеріальні клітини, в яких вони паразитували, можуть захоплювати частину їх ДНК і, потрапивши в нові клітини, передають новим хазяїнам властивості попередніх. Це явище вперше було відкрито в дослідженнях по зараженню бактерій вірусами.

Кон’югація (від лат. conjugatio – з’єднання) – це перенесення генетичного матеріалу від однієї бактерії до іншої шляхом утворення цитоплазматичного містка, переміщення частини ДНК та її інтеграція з геномом клітини-реципієнта.

Будова молекули ДНК. Макромолекула ДНК – це два довгі полімерні ланцюги, що складаються з мономерів дезоксирибонуклеотидів, тісно з’єднаних між собою (рис. 1.48). Нитки ДНК з’єднуються водневими зв’язками між азотистими основами двох ланцюгів і утворюють подвійну спіраль ДНК. Таку модель будови ДНК запропонували в 1953 р. Дж. Уотсон і Ф. Крік. Вони використовували також дані, отримані іншими вченими (Р. Франклін, М. Уілкінс, Е. Чаргафф), які за допомогою рентгенівської дифракції й інших методів вивчали фізичну та хімічну природу ДНК. Пуринові та піримідинові основи взаємодіють одна з одною. Аденін одного ланцюга двома водневими зв’язками з’єднується з тиміном іншого ланцюга, а гуанін – трьома водневими зв’язками з цитозином. Таке сполучення азотистих основ забезпечує міцний зв’язок обох ланцюгів. Два полінуклеотидні ланцюги ДНК антипаралельні. Тобто, 5′-кінець одного ланцюга з’єднаний із З’-кінцем іншого, і навпаки. Генетична інформація записана послідовністю нуклеотидів у напрямку від 5′-кінця до З’-кінця. Така нитка називається “змістовною”, саме тут розташовані гени (матричний ланцюг). Другий ланцюг у напрямку 3′-5′ вважається “антизмістовним”. Він необхідний як “еталон” збереження генетичної інформації і набуває значення у процесах реплікації та репарації.

Рис. 1.48. Структура ДНК (фрагмент).

Два довгі антипаралельні полімерні ланцюги, що складаються із дезоксирибонуклеотидів, міцно з’єднані між собою водневими зв’язками. В результаті цього утворюється подвійна спіраль, закручена навколо центральної осі.

Рентгеноструктурний аналіз показав, що діаметр подвійної спіралі складає 2 нм, відстань між двома завершеними витками – 3,4 нм. У кожний виток входить 10 пар нуклеотидів. Відстань між сусідніми основами складає 0,34 нм.

Нуклеотиди. ДНК – це полімерна молекула, мономерами в якій є нуклеотиди. Нуклеотид складається з: 1) азотистої основи; 2) моносахариду дезоксирибози (в нуклеотидах РНК – рибози); 3) залишку фосфорної кислоти.

Азотисті основи бувають двох типів: пуринові – аденін (А) і гуанін (Г) і піримідинові – тимін (Т) і цитозин (Ц).

До складу молекули ДНК входять чотири типи нуклеотидів: дезоксиаденозин-монофосфат (дАМФ), дезоксигуанін-монофосфат (дГМФ), дезокситимідин-монофосфат (дТМФ), дезоксицитозин-монофосфат (дЦМФ). Сполучення нуклеотидів у молекулі ДНК відбувається в результаті взаємодії фосфату одного нуклеотиду з гідроксильною групою дезоксирибози іншого. В результаті утворюється фосфодиефірний зв’язок, що об’єднує нуклеотиди в довгий ланцюжок. Скелет ланцюга складається з молекул фосфату і пентоз, що чергуються. Синтез полінуклеотидного ланцюга відбувається за участю ферменту ДНК-полімерази. Цей фермент приєднує фосфатну групу одного нуклеотиду до гідроксильної групи дезоксирибози наступного.

Комплементарність пар основ. Два полінуклеотидні ланцюги ДНК не є ідентичними, але вони комплементарні один одному (рис. 1.48). Це пов’язано із строгою відповідністю основ одного ланцюга основам іншого. Відстань між двома ланцюгами ДНК – 2 нм, що дозволяє вмістити тільки одну пару А-Т або Г-Ц, які відповідають цим розмірам. Тільки аденін і тимін, а також гуанін і цитозин мають відповідні просторові структури для утворення водневих зв’язків. Концепція специфічного зв’язування пар основ свідчить, що аденін в одному ланцюгу повинен відповідати тиміну в іншому, а гуанін повинен мати навпроти себе цитозин в іншому ланцюгу. Таким чином, два ланцюги ДНК комплементарні один одному.

Колінеарність (від лат. collineare – мітити, направляти) – властивість, що зумовлює відповідність між послідовностями триплетів нуклеотидів (кодонів) нуклеїнових кислот і амінокислот поліпептидних ланцюгів. Тобто, послідовність амінокислот білка, в якій відповідні кодони розташовуються в гені. Це означає, що положення кожної амінокислоти в поліпептидному ланцюгу білка залежить від положення відповідного триплету в гені. Генетичний код вважається колінеарним, якщо кодони нуклеїнових кислот і відповідні їм амінокислоти білка розташовані в однаковому лінійному порядку.

Явище колінеарності доведено експериментально. Так, встановлено, що серпоподібноклітинна анемія, за якої порушена будова молекули гемоглобіну, зумовлена зміною одного нуклеотиду в його гені, що призводить до заміни однієї амінокислоти на іншу. Гіпотеза про те, що послідовність нуклеотидів у гені визначає послідовність амінокислот білка, була висунута Г. А. Гамовим (1954). Дані про колінеарність генів і поліпептидів підтвердили її. Завдяки концепції колінеарності можна визначити порядок нуклеотидів усередині гена і в інформаційній РНК, якщо відомий амінокислотний склад поліпептидів, і навпаки, визначивши склад нуклеотидів ДНК, можна передбачити амінокислотний склад білка. Цей принцип використовується в методах молекулярної біології. Із цієї концепції видно, що зміна порядку нуклеотидів усередині гена (його мутація) призводить до зміни амінокислотного складу білка.

Правила Е. Чаргаффа. Вивчаючи хімічний склад ДНК в 1950 році, Ервін Чаргафф (рис. 1.49) сформулював важливі положення щодо структури ДНК:

I. Молярна частка пуринів (аденіну – А і гуаніну – Г) дорівнює молярній частці піримідинів (цитозину – Ц і тиміну – Т):

А+Г=Ц+Т, або А+Г/Ц+Т=1

II. Кількість аденіну і цитозину дорівнює кількості гуаніну і тиміну:

А+Ц=Г+Т, або А+Ц/Г+Т=1

III. Кількість аденіну дорівнює кількості тиміну, а кількість гуаніну дорівнює кількості цитозину:

А=Т, або А/Т=1, Г=Ц, або Г/Ц=1

IV. Відношення суми молярних концентрацій Г+Ц до суми молярних концентрацій А+Т у різних видів значно змінюється: Г+Ц/А+Т названо коефіцієнтом специфічності. Для бактерій коефіцієнт специфічності дорівнює 0,45-2,8, для вищих рослин, тварин і людини – 0,45-0,94.

V. Існують види ДНК, в яких А+Т>Г+Ц (АТ – тип) та ДНК, в яких А+Т<Г+Ц (ГЦ-тип). АТ-тип ДНК характерний для вищих рослин, тварин і людини. ГЦ-тип властивий грибам, бактеріям, вірусам.

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

Ці правила є основою встановлення хімічної і фізичної природи ДНК, просторової структури молекули, а також механізму генетичного коду.

Видова специфічність ДНК За співвідношенням (А+Т) і (Г+Ц) представники різних видів різняться між собою, причому у тварин переважає пара А+Т, а у мікроорганізмів співвідношення (А+Т) і (Г+Ц) однакове. Ці явища використовують як один із генетичних критеріїв визначення виду. У цьому полягає індивідуальна специфічність ДНК. У таблиці 1.9 наведено приклади співвідношення основ ДНК різних видів організмів.

Таблиця 1.9. Співвідношення основ у деяких ДНК (за Ф. Севджером)

А/Т	Г/Ц	А+Т/Г+Ц
Людина, печінка	1,00	1,00	1,54
Людина, тимус	1,04	1,00	1,54
Людина, сперма	0,98	1,03	1,67
Бик, печінка	0,99	1,00	1,37
Теля, тимус	0,98	1,15	1,28
Лосось, сперма	1,02	1,01	1,43
Дріжджі	0,96	1,08	0,95
Пневмокок	0,94	1,14	0,92
Кишкова паличка	1,09	0,99	1,00
Фаг Т-4	1,00	1,09	1,87

Примітка. Невеликі відхилення у співвідношенні основ пов’язані зі складністю досліджень.

Просторова організація ДНК Молекула ДНК може існувати в різній конфігурації залежно від навколишніх умов. Відомо декілька форм ДНК: а) В-форма – має стандартну структуру відповідно до моделі молекули Уотсона і Кріка і в нормальних фізіологічних умовах є основним структурним типом; б) А-форма – виявлена у зневодненому середовищі, при високому вмісті калію і натрію. Така ДНК має дещо змінену спіралізацію; в) С-форма – має менше основ на один виток, а значить інші – фізичні характеристики; г) Z-форма – на відміну від інших форм, закручена вліво. Деякі форми при зміні фізіологічних умов можуть переходити одна в одну, що додатково регулює роботу генів. Знання структури ДНК дозволило зрозуміти суть багатьох молекулярно-генетичних процесів.

Отже, в молекулі ДНК можна виділити первинну структуру – послідовність нуклеотидів у ланцюгу, вторинну структуру – два комплементарні анти – паралельні ланцюги, з’єднані водневими зв’язками, і третинну структуру – тривимірну спіраль. Зазначимо, що: а) геометрія спіралі ДНК залежить від послідовності нуклеотидів; б) значна частина ДНК не кодує білків або РНК; в) кожний ген – це складна функціонально-активна одиниця, призначена для регульованого синтезу РНК.

Рибонуклеїнові кислоти (РНК). Спадкова інформація зберігається в молекулі ДНК. Проте ДНК не бере участі в життєдіяльності клітин. Роль посередників у передачі спадкової інформації від ДНК у цитоплазму відіграють рибонуклеїнові кислоти. Взаємовідносини ДНК, РНК і білків можна представити у вигляді схеми ДНК → РНК → білок.

У цьому випадку один з ланцюгів ДНК є матрицею для молекул РНК, що, зокрема, є матрицями синтезу білків або входять до складу рибосом чи переносять амінокислоти.

РНК мають вигляд довгих нерозгалужених полімерних молекул, що складаються з одного ланцюга. Одноланцюгові РНК можуть утворювати подвійні спіралі, якщо різні частини ланцюга мають антипаралельні комплементарні сегменти, пов’язані один з одним (рис. 1.50). У частини вірусів РНК є носієм спадкової інформації за відсутності ДНК. Деякі РНК мають каталітичну активність на певні клітинні процеси. РНК – полімер рибонуклеотидів, що складаються із фосфорної кислоти, рибози й азотистих основ (аденін, гуанін, цитозин, урацил). Рибоза разом із залишками фосфорної кислоти утворює скелет молекули, на якому розташовані азотисті основи. Усі різновиди РНК синтезуються на молекулах ДНК за участю ферментів РНК-полімераз на основі принципу комплементарності. При цьому в синтезованій молекулі аденін ДНК комплементарний урацилу РНК, а гуанін – цитозину. Якщо вміст ДНК у клітинах постійний, то вміст РНК дуже коливається у залежності від типу клітини, інтенсивності метаболізму і синтезу білків.

Рис. 1.50. Будова РНК:

1 – лінійна молекула РНК; 2 – утворення певної молекули РНК за рахунок комплементарного з’єднання азотистих основ того ж ланцюга.

Молекули РНК мають багато спільного зі структурою ДНК, але відрізняються низкою ознак: а) вуглеводом РНК є рибоза, б) РНК не містить тиміну, його місце в молекулі займає урацил, в) РНК – одноланцюгова молекула, г) правила Чаргаффа не виконуються.

Типи РНК. На основі розміру, структури і функції молекул розрізняють три типи РНК, характерних як для прокаріотів, так і для еукаріотів.

Інформаційна РНК (іРНК). ЇЇ молекули утворюються на певних ділянках ДНК, мають назву структурних генів, у вигляді комплементарної копії ділянки одного з її ланцюгів. Вони несуть закодовану інформацію первинної структури білків у цитоплазму, де прикріплюються до рибосом і реалізують цю інформацію.

Інформаційна РНК є матрицею для синтезу поліпептидів (білків), тому її називають також матричною. Матрична РНК є шаблоном, на якому будуються поліпептиди відповідно до закладеної генетичної інформації. Звичайно, вона несе інформацію про синтез тільки однієї молекули білка – це так звана моноцистронна іРНК. Іноді вона містить декілька цистронів, розташованих поряд, для різних білків і відома під назвою поліцистронна іРНК. Інформаційна РНК містить інформацію про порядок розташування амінокислот у синтезованому білку. Розташування амінокислот кодується чіткою послідовністю нуклеотидів у молекулі іРНК (генетичний код). Кожній амінокислоті відповідає свій триплет” нуклеотидів (кодон). Молекули іРНК складаються з 300-3000 нуклеотидів. Вони становлять 0,5-3,0 % маси всіх РНК клітини. Інформаційна РНК утворюється в ядрі у вигляді незрілої про-іРНК, яка містить і неінфор – мативні послідовності нуклеотидів – інтрони. В результаті процесингу (вирізання інтронних ділянок) вона “дозріває” і надходить у цитоплазму, де відразу приєднується до рибосом. Проте іноді іРНК може накопичуватися у клітинах, зв’язуватися із спеціальними білками, що “консервують” її, з утворенням інфор – мосом. У такому вигляді інформація може тривалий час зберігатися у клітинах. Поштовхом для їх використання є фізіологічні зміни в клітині, що призводять до активації синтезу білка. Наприклад, в овоциті накопичується багато інформосом, а їх іРНК починає функціонувати тільки після запліднення.

Транспортна РНК (тРНК). Молекули тРНК утворюються на спеціальних генах. Транспортні РНК короткі, однониткові, мають форму листка конюшини (рис. 1.51) завдяки комплементарному сполученню основ на різних ділянках ланцюга, складаються з невеликого числа нуклеотидів – 75-90. Від загальної маси РНК на тРНК припадає близько 1015 %. Молекули тРНК переносять до місць синтезу білків тільки відповідні їм амінокислоти з цитоплазми. Кожній амінокислоті відповідає своя тРНК внаслідок особливостей нуклеотидної послідовності та просторової структури. Молекули тРНК мають чотири важливі ділянки: а) транспортну; б) антикодон; в) ділянку приєднання фермента; г) ділянку зв’язування з рибосомою.

Рис. 1.51. Будова молекули тРНК:

1 – петля 1; 2- петля2; 3 – петля 3; 4 – акцепторний кінець; 5 – ОН 3′-кінець; 6 – 5′-кінець; 7 – антикодон; 8 – модифікаційні нуклеотиди.

До транспортної ділянки приєднується специфічна амінокислота. Вона утворена двома комплементарними кінцевими ділянками РНК, 3′-кінець якої складається з семи пар основ, він довший і формує одноланцюгову ділянку, що закінчується послідовністю ЦЦА з вільною ОН-групою. До цієї групи приєднується амінокислота, що транспортується.

Антикодон складається з п’яти нуклеотидів. У центрі – три специфічних рибонуклеотиди (триплет). Азотисті основи антикодона мають комплементарний триплет на ланцюгу іРНК, цей триплет називається кодоном. У період синтезу білка антикодон знаходить відповідний йому кодон на іРНК і тимчасово приєднується до нього водневими зв’язками.

Ділянка приєднання ферменту – це спеціальна частина молекули тРНК для специфічного зв’язування з ферментом аміноацил-тРНК-синтетазою, що каталізує приєднання амінокислоти до молекули тРНК.

Ділянка зв’язування з рибосомою – особлива частина молекули (певна послідовність нуклеотидів) тРНК, що потрібна для прикріплення до рибосоми.

На рис. 1.51 ліворуч наведена схема спарювання основ у відповідних ділянках молекули (структура “конюшинового листка”), а праворуч – тривимірна модель конфігурації молекули. Один кінець молекули (акцепторний) призначений для приєднання амінокислот, а другий містить антикодон, що складається з трьох нуклеотидів.

Рибосомальна РНК (рРНК). Рибосомальна РНК утворюється на спеціальних генах ДНК в ядерці. Рибосомальна РНК – велика одноланцюгова розгалужена молекула, що включає 3000-5000 нуклеотидів. Із загальної маси РНК на її частку припадає до 90 %. У каріоплазмі рРНК і різні білки об’єднуються у співвідношенні 1:1 для утворення малих і великих субодиниць рибосом.

Рибосомальна РНК утворює структурний каркас рибосоми, їй належить важлива роль у процесі синтезу білків. Рибосомальна РНК забезпечує зв’язування іРНК з рибосомами за допомогою певних послідовностей нуклеотидів. Таким чином встановлюється початок і рамка зчитування інформації з іРНК. Багато білків рибосом виконують не тільки структурну, але й ферментативну функцію.

Таким чином, чотири різновиди нуклеїнових кислот мають багато спільного в будові, але виконують різноманітні функції.