Вторинна структура молекули ДНК

Первинна структура нуклеїнових кислот

Всі класи нуклеїнових кислот - ДНК та РНК - є високомолекулярними сполуками, основою первинної структури яких є полінуклеотидний ланцюг.

Окремі нуклеотиди зв'язані між собою в полінуклеотидний ланцюг за рахунок фосфодіефірних зв'язків, що утворюються між 3'- та 5'- гідроксильними групами пентоз (рибоз або дезоксирибоз) сусідніх нуклеотидів

При схематичному зображенні полінуклеотидних ланцюгів ДНК та РНК пентози подають вертикальними лініями, 3',5'-фосфодісфірні зв'язки - похилими лініями з літерою Ф (або) посередині:

Полярність полінуклеотидів

У полінуклеотидному ланцюгу ДНК або РНК виділяють два кінці: 5'-кінець, тобто той, що містить вільний (не зв'язаний з черговим нуклеотидом) 5'-гідроксил пентози, та 3'-кінець - той, що містить вільний (не зв'язаний з нуклеотидом) 3'-гідроксил пентози. В 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 5' 3'.

Відмінності в первинній структурі ДНК та РНК:

У складі нуклеотидів ДНК міститься цукор 2'-дезоксирибоза, замість рибози у складі нуклеотидів РНК.

Нуклеотиди ДНК та РНК відрізняються за складом піримідинових основ:

в ДНК міститься піримідин тимін (5-метилурацил);

в РНК міститься піримідин урацил (замість тиміну).

Первинна структура ДНК та РНК різниться за наявністю деяких мінорних нуклеотидів.

Певні класи ДНК та РНК мають специфічні для них послідовності нуклеотидів, що визначають їх біологічні функції.

Будова, властивості та функції ДНК
Біологічні функції ДНК

Біологічними функціями ДНК, які вони виконують у всіх живих організмах, є:

Збереження генетичної (спадкової) інформації.

Передавання генетичної інформації нащадкам.

Молекулярна маса та розміри молекул ДНК

Молекулярна маса дезоксирибонуклеїнових кислот суттєво варіює у різних біологічних об'єктів: вірусів, прокаріотичних та еукаріотичних клітин.

Точному визначенню молекулярної маси різних зразків ДНК перешкоджає гідродинамічна ламкість гігантських молекул нуклеїнових кислот, особливо у вищих організмів, які за спроби виділити їх в інтактному стані розпадаються на коротші фрагменти. Втім, застосування сучасних фізико-хімічних методів дослідження та електронної мікроскопії дозволило встановити, що молекулярна маса ДНК (при розрахунку на один полінуклеотидний ланцюг) складає в середньому діапазоні від 10⁶до 10¹¹ одиниць атомної маси, або дальтонів (або ж 10³—10⁸ кДа).

ДНК вірусів

Найменшу молекулярну масу та довжину молекули мають ДНК найпростіших живих утворень - вірусів, зокрема вірусів бактерій (бактеріофагів) - в середньому 10³- 10⁵ кДа.

Так, наприклад м.м. ДНК

вірусу потоми = 3 • 10³ кДа, бактеріофага Т4 – 1,3 • 10⁵ кДа.

ДНК прокаріот

У прокаріотичних клітинах мікроорганізмів кількість ДНК та її молекулярна організація значно вищі, ніж у вірусів. Зокрема, ДНК кишкової палички Е. coli являє собою ковалентно замкнене дволанцюгове кільце з м.м. 1,9 • 10⁶ кДа. Відповідно до зростання складності біологічної організації при переході від вірусів до прокаріотів (а далі - еукаріотів) зростає й кількість нуклеотидних пар у дволанцюгових молекулах ДНК.

ДНК еукаріотичних клітин

Вторинна структура молекули ДНК

Вивчення нуклеотидного складу молекул ДНК з 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:

сума пуринових основ дорівнює сумі піримідинових основ, тобто:

вміст аденіну дорівнює вмісту тиміну, а вміст гуаніну дорівнює вмісту цитозину (правило еквівалентності):

Два антипаралельні полінуклеотидні ланцюги утворюють стабілізовану водневими зв'язками правообертальну спіраль, в якій обидва полінуклеотидні ланцюги закручені навколо центральної осі.

ТРЕТИННА СТРУКТУРА ДНК

В живій клітині подвійна спіралі., що становить вторинну структуру ДНК, не має вигляду розгорну тої молекули, а додатково згорнута в просторі, утворюючи певні третинні структури суперспіралі.

Біосинтез ДНК

Біосинтез ДНК здійснюється за механізмом елонгації, тобто подовження вже існуючих ланцюгів шляхом приєднання нових нуклеотидів до вільних З'-кінців одного з ланцюгів наявного полінуклеотиду:

Механізм елонгації ДНК полягає в утворенні нових 3' - 5'-фосфо- діефірних зв'язків, що здійснюється в напрямку 5' 3'. Фосфодіефірний зв'язок формується в результаті нуклеофільної атаки з боку вільної 3'-ОН-групи пентози кінцевого нуклеотиду на а-фосфат дНТФ, що вступає в реакцію.

ФІЗИКО ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ДНК

Хімічні властивості ДНК

Всі полінуклеотиди, і ДНК зокрема, є сильними багатоосновними кислотами з низьким значенням рК. Кислотність ДНК обумовлена вторинними фосфатними групами, що при фізіологічних значеннях рН повністю іонізовані.Завдяки кислотним властивостям і наявності на своїй поверхні негативних зарядів молекули ДНК при фізіологічних значеннях рН активно реагують і утворюють комплекси з катіонами:

В’язкість розчинів ДНК

Висока молекулярна маса і значна довжина молекул ДНК зумовлюють високу в'язкість навіть дуже розбавлених їх розчинів. В'язкість молекул ДНК у розчині залежить від їх конформації і суттєво змінюється за умов денатурації та ренатурації.

Поглинання в УФ-області

Азотисті основи (та відповідні нуклеоіиди), що входять до складу нуклеїнових кислот ДНК і РНК, мають властивість поглинати ультрафіолетове світло з максимумом поглинання при 260 нм.

Денатурація

Денатурація ДНК - це порушення нативної двоспіральної конформації молекул ДНК та їх впорядкованого просторового розташування з утворенням невпорядкованих одноланцюговнх клубків. Ренатурація — відновлення нативної вторинної конформації ДНК, що спостерігається за певних умов.

Денатурація спричиняється:

різкими змінами рН в кислий або лужний бік;

нагрівання розчинів ДНК до певних температур.

За умов денатурації ковалентні зв'язки в ДНК зберігаються, проте відбувається розкручування подвійної спіралі з втратою специфічних взаємодій між азотистими основами. Молекулярною основою денатурації молекул ДНК є руйнування водневих зв'язків між комплементарними азотистими основами А-Т та Г-Ц. Денатурація ДНК супроводжується гіперхромним ефектом та зменшенням в'язкості її розчинів.

Нуклеїнові кислоти, що зазнали денатурації, втрачають свої біологічні властивості.

Термічна денатурація ДНК дістала назву процесу плавлення . Для кожного тину молекул ДНК (тобто молекул, що мають певний нуклеотидний склад) характерна відповідна температура денатурації, що позначається як температура (точка) плавлення — Т

Оскільки між гуаніном та цитозином у складі двоспіральної молекули ДНК утворюється три водневих зв'язки (на відміну від двох — між аденіном та тиміном), термічна дисоціація пари G--C потребує більших затрат енергії, тобто відбувається при вищих температурах, ніж руйнування пари А-Т. Виходячи з цього, температура плавлення (Т ) молекул ДНК прямо пропорційна вмісту в них G-C-пap, що дозволяє використати визначення Т як показника нуклеотидного складу ДНК.

БУДОВА ВЛАСТиВості ТА ФункціЇ РНк

Рибонуклеїнові кислоти (РНК) – за характером структури та біологічних функцій підрозділяються па такі класи:

інформаційні (матричні, месснджерні) РНК (мРНК),

транспортні РНК (тРНК),

рибосомні РНК (рРНК)

Кожен з цих класів РНК виконує свої специфічні функції в переносі т а реалізації генетичної інформації в клітині.

Первинна структура РНК. За первинною структурою РНК є полірибопуклеотидами . На відміну від дволанцюгових ДНК молекули РНК вищих організмів є одноланцюговими полінуклеотидами. Разом з 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) в межах одного ланцюга. Такі спіралізовані ділянки включають в себе 20-30 нуклеотидних пар і чергуються з неспіралізованими фрагментами РНК

Первинна структура мРНК. За своїм нуклеотидним складом мРНК відповідає (з урахуванням принципу комплементарності) нуклеотидній послідовності фрагменту одного з ланцюгів ядерної ДНК, транскриптом якого вона (мРНК) є. Виходячи з цього, мРНК є інформаційними матрицями, які визначають амінокислотні послідовності в поліпептидах, що синтезуються в рибосомах.

Особливістю первинної структури мРНК є наявність на 5' та З'-кінцях молекули характерних для цього класу РНК нуклеотидних послідовностей.

5'-кінець всіх молекул мРНК еукаріотів у якості першого нуклеотиду містить 7-метилгуанозин, який через трифосфатний залишок сполучений з 5'-гідроксилом сусіднього (другого) нуклеотиду. Нуклеотид, з яким зв'язаний 5'-кінцевий 7-метилгуанозин, має метиловану по С-2'-рибозу.