Рис.7.2. Структура нуклеотида

Азотистые основания нуклеотидов делятся на два типа: пиримидиновые (состоят из одного 6-членного кольца) и пуриновые (состоят из двух конденсированных 5- и 6-членных колец). Каждый атом углерода колец оснований имеет свой определенный номер, но с индексом штрих (′ ). В нуклеотиде азотистое основание всегда присоединено к первому атому углевода пентозы.

Именно азотистые основания определяют уникальную структуру молекул ДНК и РНК. В нуклеиновых кислотах встречаются 5 основных видов азотистых оснований (пуриновые – аденин и гуанин, пиримидиновые – тимин, цитозин, урацил) и более 50 редких (нетипичных)оснований. Основные азотистые основания обозначаются начальными буквами А, Г, Т, Ц, У.Нуклеотиды называются по содержащихся в них азотистых основаниях(табл. 7.1.).

Таблица 7.1. Типы азотистых оснований, нуклеозидов и нуклеотидов РНК и ДНК

Формирование линейной полинуклеотидной цепочки происходит путем образования фосфодиэфирной связи пентозы одного нуклеотида с фосфатом другого. Пентозофосфатный остов состоит из (5′ -3′ ) связей. Концевой нуклеотид на одном конце цепочки всегда имеет свободную 5′ -группу, на другом - 3′ -группу.

Рис.7.3. Формирование полипептидных цепочек молекул ДНК и РНК

В природе встречаются два вида нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. В прокариотических и эукариотических организмах генетические функции выполняют оба типа нуклеиновых кислот. Вирусы всегда содержат лишь один вид нуклеиновой кислоты.

Основные отличия между ДНК и РНК представлена в таблице 7.2.

Таблиця 7.2.Характеристика нуклеиновых кислот

ДНК

азотистое основание:

аденин, гуанин, тимин, цитозин

углевод: дезоксирибоза С₅Н₁₀О₄

остаток фосфорной кислоты

РНК

азотистое основание:

аденин, гуанин, тимин, урацил

На третьем этапе происходит закручивание спирали и восстановление вторичной структуры ДНК при помощи ДНК-гиразы.

Большинство ферментов, участвующих в репликации ДНК, работают в мультиэнзимном комплексе, связанном с ДНК. Это позволяет осуществлять репликацию с огромной скоростью (у прокариот – около 3000 пар нуклеотидов (п.н.) в секунду, у эукариот – 100-300 п.н. в секунду).

Две новые молекулы ДНК представляют собой точные копии исходной молекулы (рис.7.6)

Рис.7.6. А – репликация ДНК; Б- синтез ДНК

Если при репликации в ростущей цепи ДНК появляется ошибочный нуклеотид, то в этой ситуации включается механизм самокоррекции. Самокоррекция ДНК заключается в исправлении ошибок, которые возникают в процессе синтеза нуклеиновой кислоты с помощью фермента ДНК-полимеразы (или тесно связанной с ней ферментом редуктирующей эндонуклеазой).

Репарация ДНК

Репарация (от лат. reparation - восстановление) – процесс восстановления первичной структуры ДНК, поврежденной в результате воздействия мутагенных факторов.

В клетках существуют различные «ремонтные» системы, устраняющие повреждения ДНК, вызванные облучением или химическими факторами. Обычно рассматривают три основных вида репарации:

· фоторепарацию (фотореактивацию);

· эксцизионную репарацию;

· пострепликативную репарацию.

Лучше всего изучена репарация повреждений, вызванных ультрафиолетовыми лучами. При облучении ультрафиолетом между соседними пиримидиновыми основаниями одной цепи ДНК возникают димеры. Чаще всего димер Т-Т, т.е. вместо водородных связей между Т и А двух нуклеотидных цепей образуются связи Т-Т внутри одной цепи (рис.7.7).

Фоторепарация происходит при воздействии видимого света. При этом фермент ДНК-фотолигаза разделяет димер на мономеры и опять восстанавливает водородные связи Т-А межу комплементарными цепями

Эксцизионная и пострепликативная репарация не зависят от света, и поэтому её называют темновой репарацией.

Эксцизионная репарация заключается в узнавании повреждения ДНК, вырезании (эксцизии) поврежденного участка, в синтезе и вставке нового фрагмента.

Она протекает в 4 стадии:

1. Эндонуклеаза узнает поврежденный участок и рядом с ним разрывает нить ДНК.

2. Экзонуклеаза «вырезает» поврежденный участок

3. ДНК-полимераза на основе неповрежденной цепи, которая служит матрицей, за принципом комплементарности синтезирует новый фрагмент.

4. Лигаза соединяет свободные концы старой части цепи с концами вновь синтезированного фрагмента.

Рис 7.7. Репаративные процессы. А. Эксцизионная репарация (на примере Escherichiaсoli). Б. Пострепликативная репарация. В представленном примере разрыв в одной молекуле ДНК закрывается путем SOS-репарации, причем возникает мутация (М.). Во второй молекуле ДНК разрыв может быть ; тоже заполнен путем SOS-репарации или закрыт путем рекомбинации с по-следующим репаративным синтезом, при котором матрицей служит интактная цепь ДНК. (По Böhme, Adler, с изменениями.)

Пострепликативная репарация включается в тех случаях, когда повреждения в ДНК, возникшие до её репликации, не устраняются.

Если димеры не будут устранены, то соответствующие основания не смогут выполнять роль матрицы и в этих местах во вновь синтезированной ДНК окажутся пропуски (разрывы). Путем обмена фрагментами (рекомбинации) между двумя двойными цепями ДНК продуктами репликации возможно образование одной нормальной двойной цепи (пострепликативная репарация).

Если повреждения на ДНК так тесно лежат друг возле друга, что пропуски перекрываются, тогда для заполнения пропусков включается другая «ремонтная» система – SOS репарация, способная синтезировать новую цепь ДНК на дефективной матрице. При этой системе репликации часто бывают ошибки и возникают мутации.

Рипаративные системы клетки играют важную роль в сохранении генетического гомеостаза, структурной и функциональной стабильности живых систем.

Рибонуклеиновые кислоты

Рибонуклеиновая кислота – это биополимер, который состоит преимущественно из одной полинуклеотидной цепи. Структура нуклеотидов в РНК сходна с таковой ДНК, но имеются следующие отличия:

1. Вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов РНК входит рибоза;

2. Вместо азотистого основания тимина – урацил.

В клетке существует несколько видов РНК, которые различаются по величине молекул, структуре, расположению в клетке и функциям.

Информационная (матричная) РНК – иРНК(мРНК)синтезируется на участке одной из цепи молекулы ДНК и передаёт информацию о структуре белка из ядра клеток к рибосомам. Она состоит из 300-3000 (другие авторы дают 300-30000) нуклеотидов и составляет 3-5% всей РНК клетки.

Подобно до молекулы ДНК имеет вторичную и третичную структуры, которые формируются с помощью водородных связей, гидрофобных, электростатических взаимодействий.

Рибосомальная РНК (рРНК)составляет 80-85% всей РНК клетки. Содержит 3000-5000 нуклеотидов. Входит в состав рибосом. Считают, что рРНК обеспечивает определенное пространственное взаиморасположение мРНК и тРНК при синтезе белка. Информация о структуре рРНК содержится в области вторичной перетяжки хромосом.

Транспортная РНК (тРНК)состоит из 70-80 нуклеотидов и составляет 10-15% всей РНК клетки. Функция тРНК – перенос аминокислот из цитоплазмы к месту синтеза белка в рибосомы. Молекулы тРНК имеют характерную вторичную структуру, называемую клеверным листом (рис.7.8).

Трёхмерная модель тРНК имеет компактную L-подобную форму. В тРНК выделяют четыре петли: акцепторную (служит местом присоединения аминокислоты), антикодоновую (узнаёт кодоны в иРНК) и две боковые.

Рис.7.8. Структура т-РНК

Гетерогенная ядерная РНК – гя-РНК. Является предшественником и-РНК у эукариот и превращается в и-РНК в результате процессинга. Обычно гя-РНК значительно длиннее и-РНК.

Малая ядерная РНК –мя-РНК. Принимает участие в процессе преобразования гя-РНК.

РНК-праймер – крошечная РНК (обычно 10 нуклеотидов), участвующая в процессе репликации ДНК.

Биологическая роль РНКсостоит в сохранении, реализации, передачи наследственной информации и обеспечении биосинтеза белков.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)

АТФ – мононуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, моносахарида рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты (рис.7.9). Остатки фосфорной кислоты соединяются между собой макроэргическими связями. При необходимости в энергии, АТФ расщепляется и образуется аденозиндифосфорная кислота (АДФ) и фосфорный остаток. При этом выделяется энергия.

АТФ + Н₂О = АДФ + Н₃РО₄+ 40 кДж

АДФ также может распадаться с образованием АМФ (аденозинмонофосфорной кислоты) и остатка фосфорной кислоты.

АДФ + Н₂О = АМФ + Н₃РО₄+ 40 кДж

Рис.7.9. Схема строения АТФ и превращения ее в АДФ

Обратные реакции превращения АМФ в АДФ и АДФ в АТФ происходят с поглощением энергии в процессе энергетического обмена и фотосинтеза.

АТФ является универсальным источником энергии для всех процессов в жизнедеятельности живых организмов.

ГЛАВА 8