16.6: Нуклеїнові кислоти - частини, структура та функції

Last updated
Save as PDF

Page ID: 20728

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Опишіть два типи нуклеїнових кислот і функції кожного типу.
Опишіть вторинну структуру ДНК та важливість взаємодоповнюючої основи.
Опишіть, як синтезується нова копія ДНК.

Повторювані або мономерні одиниці, які пов'язані між собою, утворюючи нуклеїнові кислоти, відомі як нуклеотиди. Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) типової клітини ссавців містить близько 3 × 10 ⁹ нуклеотидів. Нуклеотиди можуть бути додатково розщеплені до фосфорної кислоти (H ₃ PO ₄), пентозного цукру (цукру з п'ятьма атомами вуглецю) та азотистої основи (основи, що містить атоми азоту).

\[\mathrm{nucleic\: acids \underset{down\: into}{\xrightarrow{can\: be\: broken}} nucleotides \underset{down\: into}{\xrightarrow{can\: be\: broken}} H_3PO_4 + nitrogen\: base + pentose\: sugar} \nonumber \]

Якщо пентозний цукор є рибозою, нуклеотид більш конкретно називають рибонуклеотидом, а отримана нуклеїнова кислота - рибонуклеїнова кислота (РНК). Якщо цукор 2-дезоксирибоза, нуклеотид - дезоксирибонуклеотид, а нуклеїнова кислота - ДНК.

Азотисті підстави, виявлені в нуклеотидах, класифікуються як піримідини або пурини. Піримідини - гетероциклічні аміни з двома атомами азоту в кільці з шести членів і включають урацил, тимін та цитозин. Пурини - гетероциклічні аміни, що складаються з піримідинового кільця, зрощеного в п'ятичленне кільце з двома атомами азоту. Аденін і гуанін є основними пуринами, що містяться в нуклеїнових кислотах (рис.\(\PageIndex{1}\)).

Малюнок 2.jpg — \(\PageIndex{1}\)Малюнок Атрогенні основи, знайдені в ДНК та РНК.

Освіта зв'язку між С1′ пентозного цукру і N1 піримідинової основи або N9 пуринової основи приєднується пентозний цукор до азотистої основи. При утворенні цього зв'язку видаляється молекула води. Таблиця\(\PageIndex{1}\) узагальнює подібності і відмінності в складі нуклеотидів в ДНК і РНК.

Умовність нумерації полягає в тому, що прогрунтовані числа позначають атоми кільця пентози, а негрунтовані числа позначають атоми пуринового або піримідинового кільця.

Таблиця\(\PageIndex{1}\) Склад нуклеотидів в ДНК і РНК.
Склад	ДНК	РНК
пуринові основи	аденін і гуанін	аденін і гуанін
піримідинові основи	цитозин і тимін	цитозин і урацил
пентоза цукор	2-дезоксирибоза	рибоза
неорганічна кислота	фосфорна кислота (H ₃ PO ₄)	Н ₃ ПОЗ ₄

Назви і структури основних рибонуклеотидів і одного з дезоксирибонуклеотидів наведені на рис\(\PageIndex{2}\).

Малюнок 3.jpg — \(\PageIndex{2}\)Малюнок Піримідин і пуринові нуклеотиди

Окрім мономерних одиниць ДНК та РНК, нуклеотиди та деякі їх похідні також мають інші функції. Аденозиндифосфат (АДФ) і аденозинтрифосфат (АТФ), показані на малюнку\(\PageIndex{3}\), відіграють певну роль в метаболізмі клітин. Крім того, ряд коферментів, включаючи флавін аденін-динуклеотид (FAD), нікотинамід-аденіндинуклеотид (NAD ⁺) та коензим А, містять в якості структурних компонентів аденіннуклеотиди.

*Малюнок\(\PageIndex{3}\) Структури двох важливих аденінсодержащих нуклеотидів.*

Нуклеїнові кислоти - це великі полімери, утворені шляхом зв'язування нуклеотидів разом і знаходяться в кожній клітині. Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) - це нуклеїнова кислота, яка зберігає генетичну інформацію. Якби вся ДНК в типовій клітині ссавців була розтягнута кінець до кінця, вона простяглася б більш ніж на 2 м. рибонуклеїнова кислота (РНК) - це нуклеїнова кислота, відповідальна за використання генетичної інформації, закодованої в ДНК, для отримання тисяч білків, знайдених в живих організмах.

Первинна структура нуклеїнових кислот

Нуклеотиди з'єднуються між собою через фосфатну групу одного нуклеотиду, що з'єднується в ефіровому зв'язку з групою ОН на третьому атомі вуглецю цукрової одиниці другого нуклеотиду. Ця одиниця приєднується до третього нуклеотиду, і процес повторюється для отримання довгого ланцюга нуклеїнових кислот (рис.\(\PageIndex{4}\)). Кістяк ланцюга складається з чергуються фосфатних і цукрових одиниць (2-дезоксирибоза в ДНК і рибоза в РНК). Пуринові і піримідинові основи відгалужуються від цього хребта.

Кожна фосфатна група має один кислий атом водню, який іонізується при фізіологічному рН. Ось чому ці сполуки відомі як нуклеїнові кислоти.

19.5.jpg — Малюнок\(\PageIndex{4}\) Будова сегмента ДНК. Подібний сегмент РНК мав би групи OH на кожному C2′, а урацил замінить тимін.

Як і білки, нуклеїнові кислоти мають первинну структуру, яка визначається як послідовність їх нуклеотидів. На відміну від білків, які мають 20 різних видів амінокислот, в нуклеїнових кислотах всього 4 різних види нуклеотидів. Для амінокислотних послідовностей в білках умовність полягає в написанні амінокислот в порядку, починаючи з N-кінцевої амінокислоти. При написанні нуклеотидних послідовностей для нуклеїнових кислот умовність полягає в написанні нуклеотидів (як правило, використовуючи однобуквені абревіатури для основ, показані на малюнку\(\PageIndex{4}\)), починаючи з нуклеотиду, що має вільну фосфатну групу, яка відома як кінець 5′, і вказати нуклеотиди в порядку. Для ДНК перед послідовністю часто пишуть нижній регістр d, щоб вказати, що мономери є дезоксирибонуклеотидами. Кінцевий нуклеотид має вільну групу OH на атомі вуглецю 3 ′ і називається 3′ кінцем. Послідовність нуклеотидів у сегменті ДНК, показаному на малюнку,\(\PageIndex{4}\) буде написана 5′-DG-DT-DA-DC-3′, що часто додатково скорочується до DgTac або просто GTAC.

Вторинна структура ДНК

Тривимірна структура ДНК була предметом інтенсивних досліджень наприкінці 1940-х до початку 1950-х років. Початкова робота показала, що полімер мав регулярну повторювану структуру. У 1950 році Ервін Чаргафф з Колумбійського університету показав, що молярна кількість аденіну (А) в ДНК завжди дорівнювала тиміну (T). Аналогічно він показав, що молярна кількість гуаніну (G) була такою ж, як у цитозину (С). Чаргафф не зробив ніяких висновків зі своєї роботи, але незабаром зробили інші.

У Кембриджському університеті в 1953 році Джеймс Уотсон і Френсіс Крик оголосили, що у них є модель вторинної структури ДНК. Використовуючи інформацію з експериментів Чаргаффа (а також інших експериментів) та дані рентгенівських досліджень Розалінд Франклін (які включали складну хімію, фізику та математику), Уотсон і Крик працювали з моделями, які не були схожими на конструктор дитини, і нарешті дійшли висновку, що ДНК складається з двох ланцюгів нуклеїнових кислот, що протікають антипаралельно один одному - тобто пліч-о-пліч з 5′ кінцем одного ланцюга поруч з 3′ кінцем іншого. Більше того, як показала їх модель, два ланцюга скручені, утворюючи подвійну спіраль - структуру, яку можна порівняти з гвинтовими сходами, причому фосфатні та цукрові групи (кістяк полімеру нуклеїнової кислоти) представляють зовнішні краї сходів. Пуринові та піримідинові основи звернені всередину спіралі, при цьому гуанін завжди протилежний цитозину, а аденін завжди протилежний тиміну. Ці конкретні пари основ, які називаються додатковими основами, є сходинками або проступи, в нашій сходовій аналогії (рис.\(\PageIndex{5}\)).

Малюнок\(\PageIndex{5}\) ДНК Подвійна спіраль. (a) Це являє собою створену комп'ютером модель подвійної спіралі ДНК. (б) Це являє собою схематичне зображення подвійної спіралі, що показує взаємодоповнюючі основи.

Структура, запропонована Уотсоном і Криком, дала підказки до механізмів, за допомогою яких клітини здатні ділитися на дві однакові, функціонуючі дочірні клітини; як генетичні дані передаються новим поколінням; і навіть як білки будуються відповідно до необхідних специфікацій. Всі ці здібності залежать від спарювання взаємодоповнюючих баз. Малюнок\(\PageIndex{6}\) показує два набори базових пар і ілюструє дві речі. Спочатку піримідин парний з пурином в кожному випадку, так що довгі розміри обох пар ідентичні (1,08 нм).

Малюнок\(\PageIndex{6}\) Додаткова база Спарювання. Додаткові основи беруть участь у водневому зв'язку один з одним: (а) тимін і аденін; (б) цитозин і гуанін.

Якби два піримідини були парними або два пурини були б парними, два піримідини займали б менше місця, ніж пурин і піримідин, а два пурини займали б більше місця, як показано на малюнку\(\PageIndex{7}\). Якби ці пари коли-небудь мали місце, структура ДНК була б схожа на сходи, зроблені зі сходами різної ширини. Щоб дві пасма подвійної спіралі підходили акуратно, піримідин завжди повинен бути в парі з пурином. Друге, що ви повинні помітити на малюнку,\(\PageIndex{6}\) полягає в тому, що правильне спарювання дозволяє утворювати три випадки водневого зв'язку між гуаніном і цитозином і два між аденіном і тиміном. Аддитивний внесок цього водневого зв'язку надає велику стабільність подвійній спіралі ДНК.

\(\PageIndex{7}\)Різниця малюнків у ширині можливих пар основ

Раніше ми заявляли, що дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) зберігає генетичну інформацію, тоді як рибонуклеїнова кислота (РНК) відповідає за передачу або експресування генетичної інформації, направляючи синтез тисяч білків, знайдених в живих організмах. Але як нуклеїнові кислоти виконують ці функції? Потрібні три процеси: (1) реплікація, в якій робляться нові копії ДНК; (2) транскрипція, в якій сегмент ДНК використовується для отримання РНК; і (3) переклад, в якому інформація в РНК перекладається в білкову послідовність.

ДНК: самореплікація

Нові клітини безперервно утворюються в організмі через процес поділу клітин. Щоб це сталося, ДНК у ділильній клітині повинна бути скопійована в процесі, відомому як реплікація. Додаткове сполучення бази подвійної спіралі забезпечує готову модель для того, як відбувається генетична реплікація. Якщо два ланцюга подвійної спіралі розірвані, порушуючи водневий зв'язок між парами основи, кожен ланцюг може виступати шаблоном або шаблоном для синтезу нового взаємодоповнюючого ланцюга ДНК.

Ядро містить всі необхідні для цього синтезу ферменти, білки, нуклеотиди. Короткий відрізок ДНК «розпаковується», так що дві нитки в сегменті розділені, щоб служити шаблонами для нової ДНК. ДНК-полімераза, фермент, розпізнає кожну основу в шаблонній нитці і зіставляє її з додатковою основою у вільному нуклеотиді. Потім фермент каталізує утворення ефіру зв'язку між 5′ фосфатною групою нуклеотиду і 3′ OH кінця нового, зростаючого ланцюга ДНК. Таким чином, кожна нитка вихідної молекули ДНК використовується для отримання дубліката свого колишнього партнера (рис.\(\PageIndex{8}\)). Яка б інформація не була закодована в оригінальній ДНК подвійної спіралі тепер міститься в кожній спіралі реплікації. Коли клітинка ділиться, кожна дочірня клітина отримує одну з цих реплікацій і, таким чином, всю інформацію, якою спочатку володіла батьківська комірка.

Малюнок\(\PageIndex{8}\) A Принципова схема реплікації ДНК. Реплікація ДНК відбувається шляхом послідовного розпакування сегментів подвійної спіралі. Кожен новий нуклеотид вводиться в положення ДНК-полімеразою і додається до зростаючої пасма шляхом утворення зв'язку фосфатного ефіру. Таким чином, дві подвійні спіралі утворюються з однієї, і кожна складається з однієї старої пасма і однієї нової нитки, результат називається *напівконсервативними реплікаціями*. (Це уявлення спрощено; набагато більше білків беруть участь у реплікації.)

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Відрізок однієї нитки з молекули ДНК має послідовність 5′‑TCCATGAGTTGA‑3′. Яка послідовність нуклеотидів у протилежному, або комплементарному, ланцюжку ДНК?

Рішення

Знаючи, що дві нитки є антипаралельними і що T базові пари з A, тоді як C базові пари з G, послідовність додаткової нитки буде 3′‑AGGTACTCCAACT‑5′.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Відрізок однієї нитки з молекули ДНК має послідовність 5′‑CCAGTGAATTGCCTAT‑3′. Яка послідовність нуклеотидів у протилежному, або комплементарному, ланцюжку ДНК?

Відповідь

3′‑GGTCACCTAA‑5′.

Резюме

Нуклеотиди складаються з фосфорної кислоти, пентозного цукру (рибози або дезоксирибози) та азотовмісної основи (аденін, цитозин, гуанін, тимін або урацил). Рибонуклеотиди містять рибозу, тоді як дезоксирибонуклеотиди містять дезоксирибозу.
ДНК - це нуклеїнова кислота, яка зберігає генетичну інформацію. РНК - це нуклеїнова кислота, відповідальна за використання генетичної інформації в ДНК для виробництва білків.
Послідовності нуклеїнових кислот записуються, починаючи з нуклеотиду, що має вільну фосфатну групу (кінець 5 ′).
Дві нитки ДНК з'єднуються між собою в антипаралельному напрямку і скручуються, утворюючи подвійну спіраль. Азотисті підстави звернені всередину спіралі. Гуанін завжди протилежний цитозину, а аденін завжди протилежний тиміну.
При реплікації ДНК кожна нитка вихідної ДНК служить шаблоном для синтезу комплементарної нитки.
ДНК-полімераза є первинним ферментом, необхідним для реплікації.

Дописувачі та атрибуція

Лібретекст: Основи хімії GOB (Ball et al.)