Формы организации двухцепочечной ДНК

Слайд

Различают 2 типа нуклеиновых кислот : дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК).

Они были открыты в 1869 г. швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером из ядер клеток гноя. Эти клетки содержали фосфорорганическое вещество, которое Мищер назвал «нуклеином», а позже, когда он определил, что это «вещество» обладает кислотными свойствами, вещество получило название нуклеиновая кислота.

ДНК находится преимущественно в хромосомах клеточного ядра (99% всей ДНК клетки), а также в митохондриях и хлоропластах. РНК входит в состав рибосом; молекулы РНК содержатся также в цитоплазме, матриксе пластид и митохондрий.

Слайд

1) в прокариотической клетке ДНК находится в цитоплазме и представлена нуклеоидом. Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов — линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами. Кроме хромосомы в клетке прокариот могут присутствовать плазмиды и эписомы.

2) в эукариотической клетке ДНК находится преимущественно в хромосомах клеточного ядра (99% всей ДНК клетки), а также в митохондриях и хлоропластах. Эукариотические ДНК имеют линейную двухцепочечную структуру. Кроме того, третичная структура ДНК у эукариотических клеток отличается тем, что многократная спирализация ДНК сопровождается образованием комплексов с белками гистонами. Митохондриальные ДНК – это двухцепочечные кольцевые молекулы малого размера. Молекулы ДНК в хлоропластах значительно больше, чем в митохондриях. ДНК митохондрий и хлоропластов не связана с гистонами.

Слайд

Митохондриальная ДНК (мтДНК) — ДНК, находящаяся (в отличие от ядерной ДНК) в митохондриях, органоидах эукариотических клеток.

Гены, закодированные в митохондриальной ДНК, относятся к группе плазмагенов, расположенных вне ядра (вне хромосомы). Совокупность этих факторов наследственности, сосредоточенных в цитоплазме клетки, составляет плазмон данного вида организмов (в отличие от генома).

У большинства изученных организмов митохондрии содержат только кольцевые молекулы ДНК, у некоторых растений одновременно присутствуют и кольцевые, и линейные молекулы, а у ряда протистов (например, инфузорий) имеются только линейные молекулы.

Митохондрии млекопитающих обычно содержат от двух до десяти идентичных копий кольцевых молекул ДНК.

У растений каждая митохондрия содержит несколько молекул ДНК разного размера, которые способны к рекомбинации.

У млекопитающих каждая молекула мтДНК содержит 15000-17000 пар оснований и содержит 37 генов — 13 кодируют белки, 22 — гены тРНК, 2 — рРНК (по одному гену для 12S и 16S рРНК). Другие многоклеточные животные имеют схожий набор митохондриальных генов, хотя некоторые гены могут иногда отсутствовать.

Особенности митохондриальной ДНК[

Кодирующие последовательности (кодоны) митохондриального генома имеют некоторые отличия от кодирующих последовательностей универсальной ядерной ДНК.

Слайд

В НК присутствуют азотистые основания двух типов — производные пурина (пуриновые) и производные пиримидина (пиримидиновые). К пуриновым основаниям относятся аденин (А), гуанин (Г), к пиримидиновым — цитозин (Ц), урацил (У) и тимин (Т).

Слайд.

В ДНК моносахарид представлен 2^/-дезоксирибозой,содержащей только одну гидроксильную группу (ОН), а в РНК – рибозой, имеющей две гидроксильные группы.

Чтобы избежать путаницы между нумерацией азотистых оснований и пентоз, атомы углерода в пентозах нумеруются со штрихом.

Фосфатные группы–остатки фосфорной кислоты,находящиеся ввиде анионов: именно они придают всей структуре кислотные свойства.

Фосфатные группы могут быть моно-, ди- или трифосфатными:

Слайд

Нуклеозиды.

В зависимости от природы моносахаридного остатка нуклеозиды делят на рибонуклеозиды (содержат остаток рибозы) и дезоксирибонуклеозиды (содержат остаток дезоксирибозы). Названия нуклеозидов строят на основе тривиальных названий нуклеиновых оснований, добавляя окончание –идин для производных пиримидина и –озин для производных пурина. К названиям дезоксирибонуклеозидов добавляют приставку дезокси-. Исключение составляет нуклеозид, образованный тимином и дезоксирибозой, к которому приставка дезокси- не добавляется, так как тимин образует нуклеозиды с рибозой лишь в очень редких случаях.

Слайд

Нуклеотиды

Нуклеотиды – это эфиры нуклеозидов и фосфорной кислоты (нуклеозидфосфаты). Сложноэфирную связь с фосфорной кислотой образует ОН группа в положении 5^/ или 3^/ моносахарида. В зависимости от природы моносахаридного остатка нуклеотиды делят на рибонуклеотиды(структурные элементы РНК) и дезоксирибонуклеотиды (структурные элементы ДНК). Названия нуклеотидов включают название нуклеозида с указанием положения в нем остатка фосфорной кислоты. Сокращенные обзначения нуклеозидов содержат обозначение нуклеозида, остатка моно-, ди- или трифосфорной кислоты, для 3^/-производных указывается также положение фосфатной группы.

Нуклеотиды являются мономерными звеньями, из которых построены полимерные цепи нуклеиновых кислот. Некоторые нуклеотиды выполняют роль коферментов и участвуют в обмене веществ.

Слайд

Под первичной структурой нуклеиновых кислот понимают порядок, последовательность расположения мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК или РНК. Нуклеотиды в молекулах нуклеиновых кислот соединены сложноэфирной связью, образованной остатком фосфорной кислоты одного мононуклеотида и 3’-гидроксильной группой остатка пентозы другого мононуклеотида (3’,5’-фосфодиэфирная связь)

Слайд

Еще до открытия Уотсона и Крика, в 1950 г. австралийский биохимик Эдвин Чаргафф установил, что в ДНК любого организма количество адениловых нуклеотидов равно количеству тимидиловых, а количество гуаниловых нуклеотидов равно количеству цитозиловых нуклеотидов (А=Т, Г=Ц), или суммарное количество пуриновых азотистых оснований равно суммарному количеству пиримидиновых азотистых оснований (А+Г=Ц+Т). Эти закономерности получили название «правила Чаргаффа».Такие соотношения не свойственны РНК.

Слайд

Исходя из правила Чаргаффа о нуклеотидном составе ДНК и из рентгеноструктурных исследований, Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик и Морис Уилкинс (Великобритания) предложили модель строения ДНК (1953). Основные черты этой модели:

1. Молекула ДНК построена из двух полинуклеотидных цепей, они ориентированны антипараллельно (разнонаправлены), т.е. против 3'-конца одной цепи находится 5'-конец другой (представьте себе двух змей скрутившихся в спираль, – голова одной к хвосту другой). и на всем протяжении связанны друг с другом водородными связями (каждый из мононуклеотидов участвует в образовании водородных связей).

2.Водородные связи между цепями образуются за счет специфического взаимодействия аденинового остатка одной цепи с тиминовым остатком другой цепи (пара А…Т)(2 водородные связи) и гуанинового остатка одной цепи с цитозиновым остатком другой цепи (пара C…G)(3 водородные связи):

Основания, образующие пару, комплементарны друг другу в том смысле, что между ними легче возникают водородные связи, чем при других сочетаниях (например, A и G, A и C и др.); это объясняется геометрией расположения групп, участвующих в образовании водородных связей между парами оснований, и геометрией молекулы ДНК в целом. Таким образом, комплементарность нуклеотидов – это химическое и геометрическое соответствие структур их молекул друг другу.

3. Первичная структура одной цепи молекулы ДНК комплементарна первичной структуре другой цепи.

Таким образом, если известна первичная структура одной цепи молекулы ДНК, то первичная структура другой цепи может быть легко написана, исходя из правил комплементарности оснований и комплементарности цепей, иначе говорят, что одна цепь является матрицей для другой. Следует отметить, что комплементар-ность цепей не означает идентичности их первичных структур.

4. Обе цепи закручены в спираль, имеющую общую ось; цепи могут быть разделены только путем раскручивания. Пуриновые и пи-римидиновые основания обращены внутрь спирали; их плоскости пер-пендикулярны оси спирали и параллельны друг другу, так что получа-ется стопка оснований. Между основаниями в этой стопке возникают гидрофобные взаимодействия, вносящие основной вклад в стабилиза-цию двойной спирали, больший, чем водородные связи между цепями. Пентозофосфатные части располагаются по периферии, образуя кова-лентный остов спирали.

Слайд

Структура ДНК стабилизируется следующими связями:

1) Нуклеотиды в молекулах нуклеиновых кислот соединены между собой посредством 3’,5’-фосфодиэфирной связи.

2) Навитые одна на другую полинуклеотидные цепи удерживаются вместе водородными связями, образующимися между комплементарными основаниями противоположных цепей.

3) Гидрофобные взаимодействия между основаниями.(стэкинг взаимодействия).

В ДНК и РНК параллельный стэкинг имеет место между соседними парами нуклеотидов и повышает стабильность молекулярной структуры. Азотистые основания нуклеотидов имеют пуриновые или пиримидиновые группы в своем составе, состоящие, в свою очередь, из ароматических колец. В молекуле ДНК ароматические кольца расположены примерно перпендикулярно оси спирали, поэтому их поверхности расположены параллельно, что способствует перекрыванию p-орбиталей этих оснований.

Структура ДНК позволяет объяснить молекулярный механизм фундаментальных биологических явлений, таких как самовоспроизведение организмов, наследственность , изменчивость. Установление структуры ДНК – одно из выдающихся событий науки XX в. В 1962 го-ду Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик и Морис Уилкинс получили Нобелевскую премию за установление структуры ДНК.

Слайд

Формы организации двухцепочечной ДНК

ДНК может формировать несколько типов двойных спиралей (рис.4). В настоящее время уже известно шесть форм (от А до Е и Z-форма).

Структурные формы ДНК, как установила Розалинда Франклин, зависят от насыщения водой молекулы нуклеиновой кислоты. В исследованиях волокон ДНК при помощи рентгеноструктурного анализа было показано, что рентгенограмма радикальным образом зависит от того, при какой относительной влажности, при какой степени насыщения водой этого волокна происходит эксперимент. Если волокно было достаточно насыщено водой, то получалась одна рентгенограмма. При высушивании возникала совершенно другая рентгенограмма, сильно отличающаяся от рентгенограммы волокна высокой влажности.

Молекула ДНК высокой влажности получила название В-формы. При физиологических условиях (низкая концентрация соли, высокая степерь гидратации) доминирующим структурным типом ДНК является В-форма (основная форма двухцепочечной ДНК - модель Уотсона-Крика). Шаг спирали такой молекулы равен 3,4 нм. На виток приходится 10 комплементарных пар в виде скрученных стопок "монет" - азотистых оснований. диаметр 1,8 нм, угол наклона к оси 0°. В этой правозакрученной спирали плоскости пар оснований перпендикулярны оси спирали. Схематически двойная спираль представляет собой винтовую лестницу. В-формапо-видимому, благоприятна для процесса репликации.

Молекула ДНК более низкой влажности получила название А-формы. А-форма образуется в условиях менее высокой гидратации и при более высоком содержании ионов Na⁺ или К⁺. Эта более широкая правоспиральная конформация имеет 11 пар азотистых оснований на виток. Плоскости азотистых оснований имеют более сильный наклон к оси спирали, они отклонены от нормали к оси спирали на 20°.. Расстояние между соседними нуклеотидами составляет 0,23 нм, длина витка – 2,5 нм, диаметр спирали – 2,3 нм.

Первоначально считали, что А-форма ДНК менее важна. Однако в дальнейшем выяснилось, что А-форма ДНК, также как и В-форма, имеет огромное биологическое значение. А-форму имеет спираль РНК-ДНК в комплексе матрица-затравка, а также спираль РНК-РНК и шпилечные структуры РНК. А-форма ДНК обнаружена в спорах. Установлено, что А-форма ДНК в 10 раз устойчивее к действию УФ-лучей, чем В-форма.

А-форму и В-форму называют каноническими формами ДНК.

Формы С-Е также правоспиральные, их образование можно наблюдать только в специальных экспериментах, и, по-видимому, они не существуют in vivo. С-форма ДНК имеет структуру, сходную с В-ДНК. Число пар оснований на виток составляет 9,33, длина витка спирали равна 3,1 нм. Пары оснований наклонены на угол 8 градусов относительно перпендикулярного положения к оси. В С-форму могут переходить природные и синтетические полинуклеотиды ДНК.

Z-форма ДНК была открыта в 1979. Ее открыл профессор Массачусетского технологического института Александр Рич с сотрудниками. Z-форма стала одним из важнейших структурных элементов ДНК в связи с тем, что ее образование наблюдалось в участках ДНК, где пурины чередуются с пиримидинами (например, 5’-ГЦГЦГЦ-3’), или в повторах 5’-ЦГЦГЦГ-3’, содержащих метилированный цитозин.

Z-форма ДНК - это левозакрученная двойная спираль, в которой фосфодиэфирный остов расположен зигзагообразно вдоль оси молекулы. Отсюда и название молекулы (zigzag)-ДHK. Z-ДНК - наименее скрученная (12 пар оснований на виток) и наиболее тонкая из известных в природе. Расстояние между соседними нуклеотидами составляет 0,38 нм, длина витка – 4,56 нм, диаметр Z-ДНК – 1,8 нм. Кроме того, внешний вид этой молекулы ДНК отличается наличием одной бороздки.

Z-форма ДНК была обнаружена в клетках прокариот и эукариот. В настоящее время получены антитела, способные отличать Z-форму от В-формы ДНК.

Слайд

Структура РНК

В отличие от ДНК, молекулы РНК состоят из одной полинуклео-тидной цепи и не имеют строго определенной пространственной формы (вторичная структура РНК зависит от их биологических функций). В силу вынужденной однонитчатости РНК, в отличие от ДНК, не закручивается в спираль, а благодаря взаимодействиям внутри одной и той же молекулы образует структуры типа шпилек, головки молотка, петель, крестов, клубков и прочего.

РНК – одноцепочечная структура, ее состав, в отличие от ДНК, не подчиняется правилам Чаргаффа. Поэтому как вторичная, так и третичная структуры РНК не регулярны по строению.

По особенностям строения и выполняемым функциям различают три основные типа РНК:

• Рибосомные РНК (рРНК)- компоненты рибосом. На долю рРНК приходится около 80% всей РНК клетки. Молекула РНК имеет вторичную структуру в виде спиральных участков, соединенных изогнутой одиночной цепью. Третичная структура рРНК имеет форму палочки или клубка и составляет скилет рибосомы: снаружи на неё нанизываются рибосомные белки.

• Транспортные РНК (тРНК) составляют 15% всей клеточной РНК. Обнаружено около десятка видов тРНК, различающихся по первичной структуре. Характерной особенностью тРНК является наличие редких оснований. Вторичная структура тРНК имеет вид «клеверного листа».

• Матричные РНК (мРНК) составляют около 2% от всей РНК клетки. Имеется большое количество мРНК, различающихся по первичной структуре. Вторичная структура мРНК представляет собой изогнутую цепь, а третичная подобна нити, намотанной на катушку, роль которой играет

Слайд