Головна » Статті » Біохімія » Молекулярна біохімія

Будова і властивості нуклеотидів
У 60-х роках XIX століття швейцарський лікар Ф. Мішер виділив із ядер клітин речовину кислої природи, яку він назвав нуклеїном, a пізніше — нуклеїновою кислотою. Біологічна функція цієї речовини залишалась невідомою ще протягом майже століття, і тільки у 1943 р. Евері, Маклеод і Маккарті отримали прямий доказ того, що ДНК несе генетичну інформацію. їх експерименти показали, що ДНК, виділена із одного штаму бактерій, здатна проникати у клітини іншого штаму і трансформувати їх, передаючи їм деякі спадкові ознаки клітин-донорів ДНК. У 1963 р. Джеймс Уотсон і Френсіс Крік запропонували модель будови ДНК. Із цієї події розпочинається сучасна ера біохімії і генетики.

Будова нуклеотидів та полінуклеотидних ланцюгів

Нуклеїнові кислоти
- це високомолекулярні сполуки, що складаються із мономерних одиниць - нуклеотидів, і тому їх також називають полінуклеотидами.

Нуклеїнові кислоти є високомолекулярними сполуками з молекулярною масою від декількох тисяч (транспортні РНК) до кількох мільйонів дальтон (ДНК еукаріотів). Це біополімери, які разом із білками належать до класу інформаційних макромолекул. Нуклеїнові кислоти виконують ряд унікальних біологічних функцій, не властивих іншим біополімерам: забезпечують збереження і передавання нащадкам спадкової інформації, беруть безпосередню участь у механізмах її реалізації шляхом програмування матричного синтезу всіх білків індивідуального організму.

Нуклеотиди є структурними компонентами (мономерними ланками) молекул нуклеїнових кислот - ДНК та РНК. Крім того, деякі рибонуклеотиди та їх похідні, що не входять до складу нуклеїнових кислот (вільні нуклеотиди), виконують функції коферментів, кофакторів, алостеричнихефекторів різних ферментних систем. Особливе значення вільні нуклеотиди мають у ферментних процесах, що пов'язані з акумулюванням, зберіганням та міжмолекулярним перенесенням енергії в клітинах.

За умов повного гідролізу нуклеїнових кислот (кислотного або лужного) в гідролізатах виявляють пуринові та піримідинові азотисті основи, пентози ( D -рибоза або 2-дезокси-О-рибоза) та фосфорну кислоту.
В основі структури азотистих основ нуклеотидів лежать ароматичні гетероциклічні сполуки пурин та піримідин.

Пуринові основи нуклеїнових кислот
У гідролізатах нуклеїнових кислот постійно містяться дві пуринові основи – аденін (А) та гуанін (Г).

Піримідинові основи нуклеїнових кислот
До складу нуклеотидів нуклеїнових кислот входять три головні піримідинові основи: урацил (У), тимін (Т), цитозин (Ц).


Оксипохідні пурину та піримідину можуть перебувати у двох таутомерних формах - лактамних і лактимних, - залежно від рН середовища. У складі нуклеотидів нуклеїнових кислот оксипохідні пурину та піримідину знаходяться в лактамній формі, що сприяє утворенню міжмолекулярних водневих зв'язків між пуринами та піримідинами окремих ланцюгів у дволанцюговій структурі молекул ДНК та в одноланцюгових РНК.
Нуклеотиди в складі ДНК містять вуглевод D-2-дезоксирибозу, а в РНК — D-рибозу. Обидві пентози знаходяться у β-фуранозній формі.

Атоми вуглецю в пентозах нумеруються цифрами зі штрихом, щоб відрізнити їх від атомів вуглецю в азотових основах.

При з'єднанні рибози чи дезоксирибози з азотовою основою утворюється нуклеозид. Зв'язок між пентозою і азотовою основою йде від першого атома вуглецю пентози (С-1’) до першого атома азоту піримідину або дев'ятого атома азоту пурину. Звязок називається глікозидним.

Нуклеозиди - двокомпонентні біоорганічні молекули, що складаються з азотистої основи пуринового чи піримідинового ряду та пентози ( D -рибози або 2-дезокси-О-рибози). Із точки зору хімічної структури нуклеозиди є N -глікозидами рибози або дезоксирибози та відповідної азотистої основи. В утворенні відповідних N -глікозидних зв'язків у піримідинових нуклеозидах беруть участь N -1 піримідину та С-1 пентози, а в пуринових- N-9 пурину та С-1 пентози.




 
Фосфорилування (ацилювання фосфорною кислотою) певного гідроксилу в пентозі, що входить до складу нуклеозиду, призводить до утворення нуклеотиду (нуклеозидфосфату). Нуклеотиди (та нуклеозиди) ДНК містять 2-дезокси-О-рибозу, РНК - D –рибозу.




 
Нуклеотиди - це фосфорні ефіри нуклеозидів. Зв'язок утворюється за рахунок взаємодії фосфату з гідроксилом і у положенні С-5' пентози.

Залежно від місця фосфорилювання пентозного гідроксилу, розрізняють три типи нуклеотидів (нуклеозидмонофосфатів, НМФ).

У результаті гідролізу нуклеїнових кислот утворюються переважно нуклеозид-5'-фосфати (НМФ). Також можуть утворюватися і нуклеозид-З'-монофосфати.

Залежно від будови пентози, нуклеотиди поділяють на рибонуклеотиди і дезоксирибонуклеотиди. Крім різниці в пентозах, нуклеотиди молекул РНК та ДНК розрізняються також за складом піримідинових основ.

Наявність залишків фосфорної кислоти в складі нуклеотидів надає їм кислотних влативостей, тому їх вважають кислотами, як і полімери - нуклеїнові кислоти. Далі наведена номенклатура нуклеозидів і нуклеотидів і формули чотирьох головних дезоксирибонуклеотидів (структурних одиниць ДНК) і чотирьох головних рибонуклеотидів (структурних одиниць РНК).


Таблиця 1. Номенклатура нуклеозидів і нуклеотидів


В організмі, крім нуклеозидмонофосфатів, знаходяться нуклеозиддифосфати і нуклеозидтрифосфати.
Мінорні нуклеотиди. Крім зазначених вище основних п'яти азотистих основ (двох пуринових та трьох піримідинових), до складу деяких нуклеїнових кислот входять у відносно незначних кількостях додаткові (мінорні) азотисті основи:
•    5-метилцитозин,
•    дигідроурацил
•    4-тіоурацил,
•    гіпоксантин,
•    метильовані аденін і гуанін.
      та відповідні їм мінорні нуклеотиди. Найбільша кількість мінорних нуклеотидів зустрічається в молекулах транспортних РНК (тРНК) - до 5 % загального нуклеотидного складу.

До мінорних нуклеотидів належать метильовані похідні звичайних азотистих основ:
•    1-метиладенін
•    2-метиладенін
•    6-диметиладенін
•    1-метилгуанін,
•    7-метилгуанін,
•    1 -метилурацил,
•    5-оксиметилурацил,
•    3-метилцитозин тощо.

ДНК людини містять значну кількість 5-метилцитозину, інформаційні РНК- N -метильовані похідні аденіну та гуаніну.

Нуклеотидом незвичайної структури, що входить до складу тРНК, є псевдоуридин ( ψ )- нуклеотид, в якому рибоза приєднана до урацилу в 5-му положенні, тобто не нітроген-карбоновим, а карбон-карбоновим зв'язком.

Такі змінені основи у молекулах нуклеїнових кислот у багатьох випадках є специфічними сигналами, які відіграють важливу роль у реалізації генетичної інформації чи забезпеченні її зберігання. Біологічні функції мінорних нуклеотидів до кінця не з'ясовані.

Вільні нуклеотиди та їх біологічні функції.
У синтезі нуклеїнових кислот беруть участь нуклеозидтрифосфати. Так, система АТФ-АДФ-АМФ відіграє особливу роль у біоенергетиці, у всіх живих організмах АТФ виступає як депо для зберігання і перенесення енергії. Аналогічно до АТФ, інші нуклеозидтрифосфати також містять два високоенергетичні зв'язки між фосфатними залишками і використовуються в обміні речовин. Наприклад, ЦТФ має відношення до біосинтезу фосфоліпідів. УТФ використовується для синтезу і взаємоперетворень різних вуглеводів, ГТФ необхідний для синтезу білків. У склад коферментів НАД, НАДФ, ФАД, КоА, ФАФС входять аденілові нуклеотиди.

Окрему групу складають циклічні нуклеотиди, в яких фосфатний залишок утворює складноефірні зв'язки з З'- і 5'-гідроксильними групами рибози.

Циклічні аденозинмонофосфат (цАМФ) і гуанозинмонофосфат (цГМФ) відіграють дуже важливу роль в обміні речовин, через них реалізується регуляторна роль ряду гормонів. цАМФ і цГМФ утворюються із АТФ і ГТФ під дією ферментів аденілатциклази і гуанілатциклази.


 
Відщеплення пірофосфату від нуклеозидтрифосфату призводить до замикання шестичленного кільця. При розщепленні циклічних нуклеотидів під дією фосфодіестерази утворюються відповідні нециклічні нуклеотиди — нуклеозид-5'-монофосфати.

Біохімічні функції вільних нуклеотидів:

- Участь в енергетичному обміні (реакціях окисного фосфорилування) - функцію виконують нуклеотиди аденілової системи (АТФ, АДФ). Ці ж нуклеотиди та АМФ можуть бути алостеричними модуляторами певних регуляторних ферментів, зокрема ферментів гліколізу, біосинтезу пуринових нуклеотидів.
- Участь у метаболічних реакціях у ролі коферментів, зокрема:
- НАД, НАДФ, ФАД, ФМН - у реакціях біологічного окислення;
- УТФ, УДФ - у реакціях біосинтезу глікогену;
- ЦТФ, ЦДФ- у біосинтезі гліцерофосфоліпідів.

Первинна структура нуклеїнових кислот
Як уже зазначалося, всі класи нуклеїнових кислот (ДНК та РНК) є високомолекулярними сполуками, основою первинної структури яких є полінуклеотидний ланцюг, побудований із мономерів - нуклеотидів. Отже, під первинною структурою нуклеїнових кислот розуміють послідовність розміщення нуклеотидів у полінуклеотидному ланцюзі РНК і ДНК.

Окремі нуклеотиди сполучаються між собою в полінуклеотидний ланцюг за рахунок фосфодіефірних зв'язків, що утворюються між 3'-та 5'- гідроксильними групами пентоз (рибоз або дезоксирибоз) сусідніх нуклеотидів.
Зв'язок між нуклеотидами здійснюється через залишок фосфорної кислоти. Цей залишок, який приєднаний до пентози свого нуклеотиду в положенні С-5', утворює другий складноефірний зв'язок із гідроксилом С-З' пентози сусіднього нуклеотиду. Тому зв'язок між нуклеотидами називають 5',3'-фосфодіефірним.
 


Відмінності в первинній структурі ДНК та РНК:
1. До складу нуклеотидів ДНК входить цукор 2'-дезоксирибоза, замість рибози в складі нуклеотидів РНК.
2. Нуклеотиди ДНК та РНК відрізняються за складом піримідинових основ: у ДНК міститься піримідин тимін (5-метилурацил); у РНК міститься піримідин урацил (замість тиміну).
3. Первинна структура ДНК та РНК відрізняється за наявністю деяких мінорних нуклеотидів.
4. Певні класи ДНК та РНК мають специфічні для них послідовності нуклеотидів, що визначають їх біологічні функції.

Полярність полінуклеотидів
У полінуклеотидному ланцюзі ДНК або РНК виділяють два кінця: 5'-кінець, тобто той, що містить вільний (не зв'язаний із черговим нуклеотидом) 5'-гідроксил пентози, та 3'-кінець - той, що містить вільний (не зв'язаний із нуклеотидом) 3'-гідроксил пентози. У природних нуклеїнових кислотах 5'-кінець (5'-гідроксил кінцевої рибози або дезоксирибози) звичайно фосфорильований, 3'-кінець містить вільну ОН-групу. Прийнято вважати, що така нуклеїнова кислота полярна і має напрямок ланцюга.

Послідовність нуклеотидів у нуклеїнових кислотах можна зобразити схематично. Буквами позначають основи. Вертикальні лінії зображують атоми вуглецю пентози з основою, приєднаною до С-1’, а діагональні лінії - фосфодіефірні зв'язки між; З'- і 5'-гідроксилами.

Структуру ланцюга зображують завжди так, що зліва знаходиться 5'-кінець, a справа- З'-кінець, тобто в напрямку 5' — З'. Користуються і більш простим способом запису послідовності, коли буквами (А,Т,Г, Ц,У) позначають нуклеотиди, а 5'-кінець — буквою Ф.
 


Ще в 70-х роках розроблені методи визначення нуклеотидних послідовностей (Сенгер, Гілберт і ін.), що дозволило розшифрувати первинну структуру більшості тРНК, ряду молекул рибосомних РНК, а за останні роки і ряду молекул ДНК. Зараз учені інтенсивно досліджують первинну структуру ДНК геному людини.
Значно раніше, ще в 40-х роках, дослідники встановили нуклеотидний склад великої кількості препаратів ДНК, виділених із різних видів живих організмів. Виявилось, що зразки ДНК із різних тканин одного й того ж виду організмів мають однаковий нуклеотидний склад, а склад ДНК різних видів різний. Склад ДНК не залежить від віку, харчування, впливу різних факторів.

Біологічні функції ДНК:
1. Збереження спадкової інформації.
Кількість ДНК у соматичних та статевих клітинах організму людини є сталою величиною, яку ці клітини отримують у процесах запліднення батьківських гамет та подальшого поділу зиготи.
2.Передавання генетичної інформації нащадкам.
Подвоєння молекул ДНК у процесі реплікації та передавання нащадкам копій материнських молекул є основою консерватизму спадковості, збереження протягом багатьох поколінь основних біологічних ознак виду.
3.Реалізація генетичної інформації.
Ця біологічна функція здійснюється за рахунок передачі закодованої в ДНК інформації молекулам інформаційних (матричних) РНК (транскрипції) та подальшої розшифровки цієї інформації при синтезі білків (трансляції).

Сукупність зазначених біологічних функцій ДНК та механізмів їх реалізації отримала назву – центральна догма молекулярної біології (Ф.Крік).

Молекулярна маса і розміри молекул ДНК
Молекулярна маса дезоксирибонуклеїнових кислот суттєво варіює в різних біологічних об'єктах: вірусах, прокаріотичних та еукаріотичних клітинах.

Точному визначенню молекулярної маси різних зразків ДНК перешкоджає гідродинамічна ламкість гігантських молекул нуклеїнових кислот, особливо у вищих організмів, які при спробі виділити їх в інтактному стані руйнуються на більш короткі фрагменти. Крім того, ДНК багатьох об'єктів має складну молекулярну організацію і становить широкий спектр різних полінуклеотидних конформацій: лінійні одноланцюгові та дволанцюгові молекули, кільцеві одноланцюгові та дволанцюгові молекули, суперспіралізовані структури.

Утім, застосування сучасних фізико-хімічних методів дослідження та електронної мікроскопії дозволило встановити, що молекулярна маса ДНК (при розрахунку на один полінуклеотидний ланцюг) складає в середньому діапазон від 10б до 1011 дальтон (Д).

Вторинна структура. Вивчення нуклеотидного складу молекул ДНК із різних біологічних об'єктів показало, що, незалежно від джерела походження (бактеріальні, рослинні, тваринні організми), всі ДНК мають певні кількісні взаємовідносини між вмістом пуринових та піримідинових нуклеотидів. Згідно з цими закономірностями (правилами Чаргафа), у складі ДНК:
1)сума пуринових основ дорівнює сумі піримідинових основ, тобто:
А + Г = Т + Ц, або
2) кількість 6-аміногруп дорівнює кількості 6-кетогруп (за хімічною номенклатурою Фішера);
3) вміст аденіну дорівнює вмісту тиміну, а вміст гуаніну дорівнює вмісту цитозину (правило еквівалентності):
А=Т, Г=Ц.

Зазначені кількісні взаємовідношення між азотистими основами, а також результати вивчення будови молекул ДНК методом рентгеноструктурного аналізу (М.Уілкінс), дозволили американському біохіміку Джеймсу Уотсону та англійському фізику Френсису Кріку, що працювали в Кембриджському університеті, запропонувати просторову модель структури молекули ДНКу вигляді подвійної спіралі.

Згідно з моделлю Уотсона-Кріка, для просторової структури ДНК характерні такі властивості:

1. Молекула ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, закручених вправо навколо одної і тої ж осі, що утворюють подвійну спіраль; при цьому два полінуклеотидні ланцюги в молекулі ДНК антипаралельні).
2. Каркаси ланцюгів, утворені із залишків дезоксирибози і негативно заряджених фосфатних груп, знаходяться на зовнішньому боці подвійної спіралі і контактують із молекулами води.
3. Гідрофобні пуринові і піримідинові основи спрямовані від пентозофосфатних каркасів обох ланцюгів всередину спіралі перпендикулярно осі. Основи обох ланцюгів, що знаходяться в одній площині, взаємодіють між собою з утворенням водневих зв'язків.
4. Точно підігнаними всередині спіралі є тільки дві комбінації чотирьох азотових основ, а саме пари А-Т і Г-Ц. Пари пурин-пурин надто великі, щоб поміститись всередині такої спіралі, a y парах піримідин-піримідин основи були б задалеко для утворення стабільних водневих зв'язків. Таким чином, пари А-Т і Г-Ц є комплементарними.
5. Між А і Т виникають два водневі зв'язки, а між Г і Ц - три. Правильна просторова взаємна орієнтація азотових основ, яка сприяє утворенню водневих зв'язків між ними, забезпечується антипаралельністю полінуклеотидних ланцюгів у спіралі (протилежною спрямованістю 5,3-міжнуклеотидних фосфодіефірних мостиків). При збереженні свого розміщення у спіралі А не може утворювати водневі зв'язки з Ц, а Г-з Т.
6. Між азотовими основами, що укладені всередині спіралі стопками і вздовж неї, існують гідрофобні взаємодії, які вносять основний вклад у стабілізацію подвійної спіралі. Відстань між основами у стопках складає 0,34 нм. На повний оберт спіралі (3,4 нм) припадає 10 нуклеотидних залишків.
7. При рН 7,0 всі фосфатні групи молекули заряджені негативно, тому ДНК є сильною кислотою.

Стабілізація подвійного ланцюга здійснюється за рахунок водневих зв'язків, що утворюються між протилежно розташованими, так званими комплементарними (додатковими), азотистими основами (аденіном і тиміном та гуаніном і цитозином, відповідно), що пояснює зазначені вище емпіричні правила Чаргафа.

Крім водневих зв'язків, стабільність молекули ДНК підтримується також у результаті взаємодій між електронними хмарами гетероциклів азотистих основ, що розміщені один під одним вздовж осі спіралі - так звані "стекінг-взаємодії".
 


Рис. Схема будови ДНК:
А- двоспіральна будова ДНК і спарювання основ обох ланцюгів молекули ДНК;
Б - два полінуклеотидні ланцюги, з'єднані водневими зв'язками між комплемен-тарними парами пуринових і піримідинових основ.


Таким чином, два антипаралельних ланцюги подвійної спіралі не ідентичні ні за нуклеотидним складом, ні за послідовністю основ (первинною структурою), але по всій довжині молекули комплементарні один одному. Така структура ДНК забезпечує точне відтворення генетичної інформації.

Зазначимо, що існують різні форми подвійної спіралі (А, В, С, Т, Z і ін.). Вже описана В-форма. При низькій вологості В-форма переходить в А-форму, яка відрізняється розмірами (1 виток містить 11 пар основ і довжина його 2,8 нм, основи не перпендикулярні осі спіралі, а нахилені під кутом 20°). Можливо, взаємопереходи A- i В-форм мають біологічне значення. Z-форма ДНК є лівозакрученою спіраллю. Висунуті припущення, що частковий перехід правозакрученої форми у лівозакручену може служити регуляторним сигналом, який контролює експресію генів. Молекулярна маса навіть найменших молекул ДНК вірусів складає 106-108, а фізична довжина їх набагато перевищує розміри вірусних частинок. Для молекули ДНК Е. соlі (молекулярна маса приблизно 2,6-109, кількість пар нуклеотидів - близько 4 млн) фізична довжина складає 1400 мкм, що в 700 разів перевищує розміри самої клітини Е. соlі (2 мкм). Тому ДНК вірусів і бактерій часто утворюють замкнуті кільця, петлі, тобто надспіралізовані, завдяки чому компактно упаковуються всередині вірусних частинок чи бактерій. Набагато більші розміри ДНК еукаріотів. Довжина молекули ДНК однієї із найменших хромосом людини складає близько 3 см, а сумарна довжина всієї ДНК однієї людської клітини складає 2 м. При цьому вона упакована в ядрі з діаметром, наприклад, у клітині печінки - близько 5 мкм.

Структурні особливості подвійної спіралі: діаметр спіралі – 2,0 нм; відстань між азотистими основами впродовж осі спіралі – 0,34 нм; спіральна структура повторюється з інтервалом у 3,4 нм, тобто через 10 нуклеотидних пар. Зазначені структурні особливості стосуються запропонованої Уотсоном і Кріком В-форми молекули ДНК.

Третинна структура. У живій клітині подвійна спіраль, що становить вторинну структуру ДНК, не має вигляду розгорнутої молекули, а додатково згорнута в просторі, утворюючи певні третинні структури - суперспіралі. У суперспіралізованому стані молекули ДНК у комплексі з певними клітинними білками входять до складу нуклеоїду прокаріотів та ядерного хроматину еукаріотів. Завдяки суперспіралізації довгі молекули ДНК формують компактні утворення, зокрема хромосоми ядра. Так, у результаті компактизації ядерна молекула ДНК клітин організму людини, що становить приблизно 8 см, вміщається в хромосомі довжиною 5 нм.

Крім ядерних ДНК, у клітинах еукаріотів є мітохондріальна ДНК, яка кодує мітохондріальні тРНК і рРНК, а також декілька мітохондріальних білків. Мітохондріальні ДНК значно менші, ніж ядерні, мають структуру дволанцюгового кільця і не зв'язані з гістонами.

Будова, властивості й біологічні функції РНК
Рибонуклеїнові кислоти - полірибонуклеотиди, що в клітинах еукаріотів та прокаріотів за характером своєї структури та біологічних функцій поділяються на такі основні класи: інформаційні (матричні) РНК (мРНК), транспортні РНК (тРНК), рибосомні РНК(рРНК). У клітинах РНК-вмісних вірусів полірибонуклеотиди виконують генетичну функцію зберігання та переносу спадкової інформації.

Молекула РНК побудована із монорибонуклеотидів, з'єднаних в один ланцюг. У склад РНК входять із азотових основ аденін, гуанін, урацилі цитозин, із пентоз - рибоза, є ще й фосфорна кислота. Дволанцюгову структуру мають лише генетичні РНК деяких вірусів (реовірусів, вірусів ракових пухлин рослин, вірусу карликовості рису). Разом із тим, одноланцюгові РНК за рахунок внутрішньомолекулярних взаємодій набувають конформацій, що позначаються як вторинні та третинні структури.

Вторинна структура. Одноланцюгових полірибонуклеотидів еукаріотів характеризується наявністю ділянок, що мають двоспіральну структуру. Ці ділянки молекул РНК (так звані "шпильки") утворюються за рахунок згинів полірибонуклеотидного ланцюга та взаємодії між собою комплементарних азотистих основ (А-У та Г-Ц) у межах одного ланцюга. Такі спіралізовані ділянки містять 20-30 нуклеотидних пар і чергуються з неспіралізованими фрагментами РНК.

Як і ДНК, полінуклеотиди РНК характеризуються максимумом поглинання при 260 нм, зумовленим азотистими основами, мають гіпохромний ефект, оптичну активність та підлягають денатурації при дії жорстких фізико-хімічних факторів.

Інформаційні (матричні) РНК

Це клас РНК, що складають 2-5 % загальної кількості клітинної РНК, але у клітинах еукаріотів можуть синтезуватись тисячі різних молекул мРНК. мРНК виконують функцію переносників генетичної інформації від геному (ядерної ДНК) до білоксинтезуючої системи клітини. Вони є інформаційними матрицями, які визначають амінокислотні послідовності в молекулах поліпептидів, що синтезуються в рибосомах.

Усі вони є одноланцюговими молекулами різної довжини з унікальною нуклеотидною послідовністю.
мРНК властиві метаболічна нестабільність і найбільша гетерогенність молекулярної маси та розмірів молекул (від 25 103 до 1-2-106) з константами седиментації від 6 до 25 s . Широкий спектр окремих молекул мРНК відповідає кількості білків організму, носіями генетичної інформації для синтезу яких є РНК цього класу.

За своїм нуклеотидним складом мРНК відповідає (з урахуванням принципу комплементарності) нуклеотидній послідовності фрагмента одного з ланцюгів ядерної ДНК, транскриптом якого вона (мРНК) є. Особливістю первинної структури мРНК є також наявність на 5'- та З'-кінцях молекули характерних для цього класу РНК нуклеотидних послідовностей.

5'-кінець усіх молекул мРНК еукаріотів та деяких вірусів в якості першого нуклеотиду містить 7-метилгуанозин (перший нуклеотид), що через трифосфатний залишок зв'язаний із 5'-гідроксилом сусіднього (другого) нуклеотиду. Нуклеотид, з яким зв'язаний 5'-кінцевий 7-метилгуанозином, має, звичайно, метильовану по С-2'-рибозу.

Модифікований 7-метилгуанозином 5'-кінець мРНК має назву "кепа" (від англ. cap - шапочка). До його складу можуть входити 1-3 залишки 7-метилгуанозину.

3'-кінець багатьох мРНК еукаріотів містить відносно довгі поліаденілатні ( poly (A)) послідовності. До складу poly (A) -"хвостів" мРНК-входять 20-250 нуклеотидів. Вважають, що 5'-кепування та 3'-поліаденілування стабілізують молекули мРНК, запобігаючи дії нуклеаз, та мають велике значення для зв'язування мРНК із рибосомами в процесі трансляції.

Вторинна структура мРНК характеризується численними внутрішньоланцюговими двоспіральними ділянками ("шпильками"), до складу яких входить до 40-50% нуклеотидного складу полірибонуклеотиду.

Транспортні РНК
На тРНК припадає 10-20% (16 %) клітинної РНК. їх молекули - це полірибонуклеотидні ланцюги, довжина яких - 73-93 нуклеотидів. Молекулярна маса тРНК - (23-28)-103 кД, константа седиментації - 4 s. У кожній клітині є декілька десятків різних видів тРНК. Усього в клітинах знаходиться не менше 20 типів тРНК, що відповідає кількості природних L -амінокислот, з якими тРНК взаємодіють у ході трансляції.

Первинні структури більшості тРНК, виділених із різних видів організмів, розшифровані. При їх порівнянні виявлено ряд спільних ознак, характерних для структури тРНК. Крім головних нуклеотидів (А, Г, Ц і У), кожна молекула тРНК містить 8 або більше нуклеотидів з мінорними основами, яких зараз відкрито понад 50. Серед них є метильовані похідні головних основ, а також псевдоуридин (рибоза, приєднана до урацилу не через N-1, а через С-5), дигідроуридин, риботимідин (міститьтимін). Модифіковані нуклеотиди розміщуються в певних ділянках молекули, що має відношення до структури і, можливо, функції тРНК. У більшості тРНК на 5'-кінці знаходиться залишок гуанілової кислоти, а на З'-кінці всіх тРНК — тринуклеотидна послідовність — Ц-Ц-А.


 
Рис. Структура тРНК:
A — загальна структура різних тРНК;
Б — просторова структура тРНК.


Одноланцюгові молекули тРНК згортаються у просторі таким чином, що на 4 ділянках утворюються спарені структури типу подвійної спіралі. Вони розділені неспіралізованими ділянками (петлями). Вторинна структура молекул тРНК у двомірному просторі має конформацію "листка конюшини", що утворюється за рахунок специфічної взаємодії комплементарних азотистих основ упродовж полірибонуклеотидного ланцюга. Проте встановлена методом рентгеноструктурного аналізу тримірна структура нагадує букву "Г". У тримірній структурі розрізняють ті ж двоспіральні ділянки і перехідні петлі, але додаткові водневі зв'язки згинають "листок конюшини" у Г-подібну структуру.

Неспарені нуклеотидні послідовності формують специфічні для будови тРНК структурні елементи:
Акцепторну гілку (стебло) - З'-кінець молекули, який містить термінальну послідовність нуклеотидів ЦЦА. Кінцевий аденозин через З'-гідроксильну групу рибози акцептує амінокислоту в процесі трансляції.

Антикодонову петлю - містить групу з трьох нуклеотидів (антикодон), комплементарних триплету нуклеотидів (кодону) в складі мРНК. Ця петля відповідає за взаємодію тРНК із певними нуклеотидами мРНК при утворенні в рибосомі транслюючого комплексу.

Дигідроуридилову петлю - складається з 8-12 нуклеотидів, містить у собі 1 -4 дигідроуридилові залишки.

Псевдоуридичову петлю - ділянка тРНК, яка в усіх молекулах містить обов'язкову нуклеотидну послідовність - 5'-Т\|/С-3'. Вважають, що ця петля необхідна для взаємодії тРНК із рибосомою.

Додаткову гілку - структура, за кількістю нуклеотидних залишків в якій тРНК поділяються на два класи: тРНК класу І - містить 3-5 нуклеотидів; тРНК класу II -з додатковою гілкою, яка має довжину від 13 до 21 нуклеотиду.

Притаманні тРНК структури типу '"листка конюшини"' можуть утворювати більш компактні просторові конформації - третинні структури. За даними рентгеноструктурного аналізу, третинна структура молекул тРНК нагадує велику латинську літеру L.

Транспортні РНК виконують роль адаптора, тобто вони специфічно приєднують амінокислоти і забезпечують правильне включення їх у поліпептидний ланцюг під час синтезу білка. Амінокислоти приєднуються складноефірним зв'язком до аденілової кислоти на З'-кінці тРНК. В антикодоновій петлі тРНК міститься триплет, що називається антикодоном і є комплементарним кодону матричної РНК. Кожна тРНК має свій особливий антикодон.
Рибосомні РНК (рРНК) - клас клітинних РНК, що входять до складу рибосом прокаріотичних та еукаріотичних клітин. На рРНК припадає до 90 % загальної кількості клітинних РНК. Рибосоми еукаріотичних клітин складаються із двох субчастинок і включають декілька молекул РНК і понад 70 різних білків.

Рибосомні РНК поділяються за коефіцієнтом седиментації: 5S-PHK (121 нуклеотид), 5,8S-PHK (155 нуклеотидів) і 28S-PHK (4000 нуклеотидів) великої субчастинки; 18S-PHK (приблизно 2000 нуклеотидів) малої субчастинки. Коефіцієнт седиментації для обох субодиниць складає 80S і молекулярна маса їх дорівнює 4,5 млн.
 


>Рис. Компоненти рибосом еукаріотів.

рРНК разом із специфічними білками становлять основу структури та функції рибосом (рибонуклеопротеїнових часточок), в яких відбувається процес трансляції – біосинтез поліпептидних ланцюгів на основі коду, що поставляється мРНК. Рибонуклеїнові кислоти цього типу є метаболічно стабільними молекулами; взаємодіючи з рибосомними білками, вони виконують функцію структурного каркаса для організації внутрішньоклітинноїсистеми білкового синтезу.

Модифікованих (мінорних) основ у складі рРНК значно менше, ніж у тРНК. Проте рибосомні РНК є також високометильованими полірибонуклеотидами, в яких метальні групи зв'язані або з азотистими основами, або з 2'-гідроксильними групами рибози.

Просторова структура рРНК, як і субчастинок рибосом, до кінця не вивчена. Вторинна структура рРНК представлена значною кількістю коротких двоспіральних ділянок, що мають вигляд "шпильок" або паличок.
Крім зазначених класів РНК, в ядрах клітин ссавців містяться рибонуклеїнові кислоти різної молекулярної маси, так звані гетерогенні ядерні РНК (гяРНК). їх молекулярна маса може перевищувати 107. гяРНК є продуктами транскрипції генів, що не зазнали посттранкрипційної модифікації - процесингу.

Молекулярна організація ядерного хроматину і рибосом
За своєю молекулярною організацією хроматин клітинного ядра або нуклеоїд та рибосоми еукаріотів і прокаріотів є складними за структурою нуклеопротеїновими комплексами.

Ядерний хроматин.
Ядерна ДНК клітин людини і тварин знаходиться в комплексі з білками гістонами й іншими, утворюючи хроматинові волокна. За зовнішнім виглядом хроматинові волокна нагадують нитки намиста, а роль намистин відіграють нуклеосоми. Усередині нуклеосоми знаходиться білкова частина - ядро, або нуклеосомний кор (від англ. core - серцевина, ядро), на поверхню якого намотаний відрізок двоспіральної ДНК. До складу нуклеосомного кору входять вісім молекул гістонів (гістоновий октамер): по дві молекули гістонів Н2А, Н2В, НЗ та Н4.
 


Рис. Нуклеосоми (за Ленінджером):
А— схематичне зображення витягнутої ділянки хроматинового волокна;
Б - схематичне зображення компактної структури, утвореної нуклеосомами
та спейсерними ділянками ДНК.


Гістоновий октамер у складі нуклеосоми формує кулеподібну структуру, обмотану двоспіральною ДНК за типом суперспіралі. Нуклеосомна ДНК утворює навколо кору 1,75 витка (приблизно 140 нуклеотидних пар) і переходить на іншу нуклеосому. Із відрізком ДНК, який об'єднує сусідні нуклеосоми (лінкерна, спейсерна ДНК, довжина якої - 50 нуклеотидних пар) зв'язаний гістон H1. Нуклеосомна нитка намиста укладається ще компактніше у просторі недостатньо вивченим способом. У результаті ступінь укорочення ДНК при укладанні в хроматиди досягає декількох мільйонів.
 


Рис. Схема структурної організації ДНК в хроматині хромосом.

Гістони, що входять до складу хроматину, є основними білками, які містять значну кількість діаміномонокарбонових амінокислот лізину та аргініну, позитивний заряд яких дає їм можливість при рН 7,0 утворювати солеподібні комплекси з фосфатними групами ДНК (між гістонами і негативно зарядженими фосфатними групами ДНК виникають сили електростатичного притягання) .Біологічна функція гістонів полягає в регуляції зчитування генетичної інформації з молекул ДНК.

Крім гістонів (білків основного характеру), до складу ядерного хроматину входять певна кількість кислих негістонових білків (НГБ) (декілька десятків фракцій) та незначний відсоток ліпідів і іонів металів, зокрема Mg 2+ , Ca :+ , Fe 2+ . Біохімічні функції цих мінорних компонентів хроматину ще не повністю з'ясовані.

Рибосоми. Рибосоми - субклітинні часточки, що за біохімічним складом являють собою рибонуклеопротеїнові структури. Вони є "молекулярними машинами", в яких відбуваються основні етапи біосинтезу білків – трансляції. У клітинах людини і тварин більша частина рибосом зв'язана з мембранами ендоплазматичного ретикулуму.
Рибосоми прокаріотичних та еукаріотичних клітин мають схожу молекулярну організацію, складаються із двох субодиниць - меншої та більшої, які відрізняються за розмірами та наборами специфічних рРНК і рибосомних білків.

Категорія: Молекулярна біохімія | Додав: Lolim (23.01.2014)
Переглядів: 66335 | Теги: іРНК, молекулярна біохімія, нуклеотид, біохімія, мРНК, рРНК, ДНК, РНК, тРНК, нуклеозид | Рейтинг: 2.7/3
Всього коментарів: 0
Имя *:
Email:
Усі смайли
Подписка:1
Код *: