4.2.1. Primárna štruktúra nukleových kyselín volal sekvencia mononukleotidov v reťazci DNA alebo RNA . Primárna štruktúra nukleových kyselín je stabilizovaná 3",5"-fosfodiesterovými väzbami. Tieto väzby vznikajú interakciou hydroxylovej skupiny v polohe 3" pentózového zvyšku každého nukleotidu s fosfátovou skupinou susedného nukleotidu (obrázok 3.2),
Na jednom konci polynukleotidového reťazca je teda voľná 5'-fosfátová skupina (5'-koniec) a na druhom konci je voľná hydroxylová skupina v 3'-polohe (3'-koniec). Nukleotidové sekvencie sa zvyčajne píšu v smere od 5" konca po 3" koniec.
Obrázok 4.2. Štruktúra dinukleotidu, ktorá zahŕňa adenozín-5"-monofosfát a cytidín-5"-monofosfát.
4.2.2. DNA (deoxyribonukleová kyselina) je obsiahnutá v bunkovom jadre a má molekulovú hmotnosť približne 1011 Da. Jeho nukleotidy obsahujú dusíkaté bázy. adenín, guanín, cytozín, tymín , sacharidov deoxyribóza a zvyšky kyseliny fosforečnej. Obsah dusíkatých báz v molekule DNA je určený Chargaffovými pravidlami:
1) počet purínových báz sa rovná počtu pyrimidínových (A + G = C + T);
2) množstvo adenínu a cytozínu sa rovná množstvu tymínu a guanínu (A = T; C = G);
3) DNA izolovaná z buniek rôznych biologických druhov sa navzájom líši v hodnote koeficientu špecifickosti:
(G + C) / (A + T)
Tieto vzorce v štruktúre DNA sú vysvetlené nasledujúcimi znakmi jej sekundárnej štruktúry:
1) molekula DNA je postavená z dvoch polynukleotidových reťazcov prepojených vodíkovými väzbami a orientovaných antiparalelne (to znamená, že 3" koniec jedného reťazca je umiestnený oproti 5" koncu druhého reťazca a naopak);
2) vodíkové väzby vznikajú medzi komplementárnymi pármi dusíkatých zásad. Adenín je komplementárny k tymínu; tento pár je stabilizovaný dvomi vodíkovými väzbami. Guanín je komplementárny k cytozínu; tento pár je stabilizovaný tromi vodíkovými väzbami (pozri obrázok b). Čím viac G-C párov v molekule DNA, tým väčšia je jej odolnosť voči vysokým teplotám a ionizujúcemu žiareniu;
Obrázok 3.3. Vodíkové väzby medzi komplementárnymi dusíkatými zásadami.
3) oba reťazce DNA sú stočené do špirály so spoločnou osou. Dusíkaté bázy smerujú do vnútra špirály; okrem vodíkových interakcií vznikajú medzi nimi aj hydrofóbne interakcie. Časti ribózofosfátu sú umiestnené pozdĺž periférie a tvoria chrbticu špirály (pozri obrázok 3.4).
Obrázok 3.4. Schéma štruktúry DNA.
4.2.3. RNA (ribonukleová kyselina) je obsiahnutý najmä v cytoplazme bunky a má molekulovú hmotnosť v rozmedzí 104 - 106 Da. Jeho nukleotidy obsahujú dusíkaté bázy. adenín, guanín, cytozín, uracil , sacharidov ribóza a zvyšky kyseliny fosforečnej. Na rozdiel od DNA sú molekuly RNA zostavené z jedného polynukleotidového reťazca, ktorý môže obsahovať navzájom komplementárne časti (obrázok 3.5). Tieto sekcie môžu vzájomne pôsobiť a vytvárať dvojité špirály, ktoré sa striedajú s nešpiralizovanými sekciami.
Obrázok 3.5. Schéma štruktúry transferovej RNA.
Podľa vlastností štruktúry a funkcie sa rozlišujú tri hlavné typy RNA:
1) messenger (messenger) RNA (mRNA) prenášať informácie o štruktúre proteínu z bunkového jadra do ribozómov;
2) transferová RNA (tRNA) vykonávať transport aminokyselín na miesto syntézy bielkovín;
3) ribozomálna RNA (rRNA) sú súčasťou ribozómov, podieľajú sa na syntéze bielkovín.
Deoxyribonukleové kyseliny (DNA) sú lineárne (alebo cyklické), nerozvetvené polydeoxyribonukleotidy. Štruktúrnou jednotkou DNA sú deoxyribonukleotidy, konkrétne deoxyribonukleozidmonofosfáty (DNMP).
DNMF sú zlúčeniny pozostávajúce z purínovej alebo pyrimidínovej dusíkatej bázy, deoxyribózy a jedného zvyšku kyseliny fosforečnej.
Ako purínové bázy DNMF zahŕňa adenín a guanín, pyrimidínové bázy sú reprezentované tymínom a cytozínom. Dôležitým znakom hydroxyderivátov purínu a pyrimidínu je možnosť ich tautomérnych (laktim-laktámových) premien. V zložení DNA sú všetky hydroxyderiváty dusíkatých zásad prítomné vo forme laktámov (ketoforma).
Desokribonukleozidmonofosfáty.
Deoxyadenozínmonofosfát Deoxyguanozínmonofosfát
dAMP dGMP
Deoxycytidínmonofosfát Deoxytymidínmonofosfát
dCMP dTMP
V zložení DNA sa spolu s uvedenými DNMP v malých množstvách nachádzajú DNMP s minoritnými (exotickými) bázami. Menšie dusíkaté bázy sú metylované, hydroxymetylované alebo glukozylované bázy, ktoré sú výsledkom modifikácie hlavných báz v polydeoxyribonukleotide počas spracovania DNA (dozrievania). Príklady minoritných dusíkatých zásad sú:
Purínové zásady Pyrimidínové zásady
N6-metyladenín 5-metylcytozín
1(alebo 3, alebo 7)-metylguanín 5-hydroxymetylcytozínuranyl
N2-metyl (alebo dimetyl)-guanín hydroxymetyluracil
Na štúdium nukleotidového zloženia DNA sa využíva hydrolýza DNA, po ktorej nasleduje chromatografia a kvalitatívne a kvantitatívne stanovenie dusíkatých báz. Okrem klasických metód analýzy možno nukleotidové zloženie DNA určiť aj z teploty topenia DNA (obsah GC párov je priamo úmerný teplote topenia) a zo vztlakovej hustoty DNA pri jej ultracentrifugácii v céziu. gradient hustoty chloridov (obsah párov GC je priamo úmerný hustote vztlaku).
Pri analýze nukleotidového zloženia DNA rôznych typov organizmov sa stanovilo množstvo vzorov, ktoré charakterizujú kvantitatívny pomer dusíkatých báz (Chargaffove pravidlá).
1. Molárny obsah adenínu sa rovná molárnemu obsahu tymínu a molárny obsah guanínu sa rovná molárnemu obsahu cytozínu.
A = T alebo A: T = 1.
G \u003d C alebo G: C \u003d 1.
2. Súčet purínových zásad sa rovná súčtu pyrimidínových zásad.
A + G \u003d T + C alebo (A + G) : (T + C) \u003d 1.
puríny = pyrimidíny.
3. Nukleotidové zloženie DNA rôznych buniek mnohobunkového organizmu je rovnaké.
4. Každý biologický druh sa vyznačuje konštantným špecifickým nukleotidovým zložením DNA, čo sa odráža v koeficiente špecifickosti.
K = -----------;
V závislosti od prevahy AT alebo GC sa rozlišujú typy DNA AT a GC, resp. Typ AT je typický najmä pre strunatce a bezstavovce, vyššie rastliny a kvasinky. U rôznych druhov baktérií existuje rozptyl v zložení nukleotidov od výrazne výrazného typu GC po typ AT. Na základe koeficientu špecifickosti boli vypracované princípy génovej systematiky objektov flóry a fauny.
3.3 PRIMÁRNA ŠTRUKTÚRA DNA.
Deoxyribonukleové kyseliny (DNA) sú lineárne
(alebo cyklické) polydeoxyribonukleotidy.
Primárna štruktúra DNA je sekvencia striedajúcich sa deoxyribonukleozidmonofosfátových (DNMP) zvyškov v polydeoxyribonukleotidovom reťazci.
Primárna štruktúra DNA je kovalentná štruktúra, pretože DNMP zvyšky v polydeoxyribonukleotidovom reťazci sú navzájom spojené 3", 5" fosfodiesterovými väzbami.
Kostra (chrbtica, hlavný reťazec) polydeoxyribonukleotidu pozostáva z monotónne sa striedajúcich deoxyribózových a fosfátových skupín pripojených k hlavnému reťazcu v rovnakej vzdialenosti od seba. Cukor-fosfátový hlavný reťazec DNA s veľkým negatívnym nábojom je vysoko polárnou časťou molekuly, zatiaľ čo dusíkaté bázy sú nepolárne hydrofóbne zložky.
Polydeoxyribonukleotidový reťazec má vektoritu, má smer od 5'-konca (začiatok reťazca) po 3'-koniec (koniec reťazca), t.j. 5"---->3". 5' koniec (fosfátový koniec) a 3' koniec (hydroxylový koniec) sú konce, na ktorých sú 5' a 3' atómy deoxyribózy, v tomto poradí, bez internukleotidovej väzby. Vektorita je určená smerom zostavovania polydeoxyribonukleotidového reťazca.
Polykondenzačný koeficient DNA sa pohybuje od 0,5 . 10 4 pre vírusy až 10 8 pre jadrovú DNA vyšších eukaryotov. V súlade s tým sa v širokom rozmedzí mení aj molekulová hmotnosť DNA, ktorá u vyšších eukaryotov dosahuje niekoľko desiatok miliárd daltonov. Zároveň sa počet kódovaných proteínov v prokaryotoch a eukaryotoch nelíši o viac ako jeden rád. Je to spôsobené tak zložitou organizáciou génov, ako aj prítomnosťou repetitívnej DNA v eukaryotoch.
V prokaryotoch je DNA reprezentovaná jednou molekulou. Ako sa druhy stávajú zložitejšími, veľkosť a počet rôznych DNA sa zvyšuje. V eukaryotoch sa počet DNA rovná počtu chromozómov. V ľudských bunkách je teda 46 rôznych DNA.
Každá DNA má jedinečnú primárnu štruktúru a zdá sa, že jej primárna štruktúra vo všetkých bunkách mnohobunkového organizmu je úplne rovnaká.
Nukleotidová sekvencia DNA je označená začínajúc na 5" konci pomocou jednopísmenových symbolov A, G, C a T pre nukleozidy
(nukleotidy) a f - pre fosfátovú skupinu, napríklad: fAphTfGfGfC alebo fATHGC.
Zložitosť štúdia primárnej štruktúry DNA je spôsobená veľmi dlhou dĺžkou polydeoxyribonukleotidového reťazca a prítomnosťou iba štyroch typov nukleotidov. Na dešifrovanie primárnej štruktúry DNA sa predtým používali nepriame metódy:
kohéziou purínových a pyrimidínových nukleotidových jednotiek objasnenie počtu a štruktúry jednotlivých frakcií nukleotidov (tzv. izoplatne);
na kinetiku reasociácie DNA (prítomnosť opakujúcich sa sekvencií);
distribúciou minoritných báz;
na detekciu v DNA a určenie sekvencie palindrómov.
V súčasnosti sa široko používajú priame metódy, ktoré sa používajú v nasledujúcom poradí:
štiepenie rôznymi reštrikčnými enzýmami s tvorbou prekrývajúcich sa sekvencií;
elektroforetická separácia DNA fragmentov v polyakrylamidovom géli podľa počtu nukleotidov, ktoré obsahujú;
dešifrovanie nukleotidovej sekvencie vo fragmentoch;
stanovenie poradia usporiadania nukleotidových fragmentov v prekrývajúcich sa oblastiach.
TVORBA POLYDEOXYRIBONUKLEOTIDOV.
Ryža. Fragment polydeoxyribonukleoidného reťazca
Nukleové kyseliny sú nepravidelné heteropolyméry obsahujúce fosfor. Otvorené v roku 1868 G.F. Misher.
Nukleové kyseliny sa nachádzajú v bunkách všetkých živých organizmov. Okrem toho každý typ organizmu obsahuje svoj vlastný súbor nukleových kyselín, ktoré sú pre neho charakteristické. V prírode existuje viac ako 1 200 000 druhov živých organizmov – od baktérií aj ľudí. To znamená, že existuje asi 10 10 rôznych nukleových kyselín, ktoré sú postavené iba zo štyroch dusíkatých báz. Ako môžu štyri dusíkaté bázy kódovať 10 10 nukleových kyselín? Približne rovnako, ako kódujeme svoje myšlienky na papier. Vytvárame postupnosť písmen abecedy, zoskupujeme ich do slov a príroda kóduje dedičnú informáciu, čím vytvára sekvenciu mnohých nukleotidov.
Nukleotid - relatívne jednoduchý monomér, z ktorého molekúl sa budujú nukleové kyseliny. Každý nukleotid pozostáva z: dusíkatej bázy, päťuhlíkového cukru (ribózy alebo deoxyribózy) a zvyšku kyseliny fosforečnej. Hlavnou časťou nukleotidu je dusíkatá báza.
Dusíkaté zásady majú cyklickú štruktúru, ktorá spolu s ďalšími atómami (C, O, H) zahŕňa atómy dusíka. Z tohto dôvodu sa tieto zlúčeniny nazývajú dusíkaté. Najdôležitejšie vlastnosti dusíkatých zásad sú spojené aj s atómami dusíka, napríklad ich slabo zásadité (alkalické) vlastnosti. Preto sa tieto zlúčeniny nazývajú "zásady".
V prírode obsahujú nukleové kyseliny iba päť známych dusíkatých zásad. Nachádzajú sa vo všetkých typoch buniek, od mykoplazmy po ľudské bunky.
Toto je purín dusíkaté zásady Adenín (A) a Guanín (G) a pyrimidín Uracil (U), tymín (T) a cytozín (C) Purínové zásady sú deriváty purínového heterocyklu a pyrimidínové zásady sú deriváty pyrimidínu. Uracil sa nachádza iba v RNA, zatiaľ čo tymín sa nachádza v DNA. A, G a C sa nachádzajú v DNA aj DNA.
V nukleových kyselinách sú dva typy nukleotidov: deoxyribonukleotidy - v DNA, ribonukleotidy - v RNA. Štruktúra deoxyribózy sa líši od štruktúry ribózy v tom, že na druhom atóme uhlíka deoxyribózy nie je žiadna hydroxylová skupina.
V dôsledku kombinácie dusíkatej zásady a pentózy, nukleozid. Nukleozid spojený so zvyškom kyseliny fosforečnej nukleotid:
dusíkatá báza + pentóza = nukleozid + zvyšok kyseliny fosforečnej = nukleotid
Je opísaný pomer dusíkatých báz v molekule DNA Chargaff pravidlá:
1. Množstvo adenínu sa rovná množstvu tymínu (A = T).
2. Množstvo guanínu sa rovná množstvu cytozínu (G = C).
3. Počet purínov sa rovná počtu pyrimidínov (A + G = T + C), t.j. A + G / T + C \u003d 1.
4. Počet báz so šiestimi aminoskupinami sa rovná počtu báz so šiestimi ketoskupinami (A + C = G + T).
5. Pomer báz A + C / G + T je konštantná hodnota, prísne druhovo špecifický: človek - 0,66; chobotnica - 0,54; myš - 0,81; pšenica - 0,94; riasy - 0,64-1,76; baktérie - 0,45-2,57.
Na základe údajov E. Chargaffa o pomere purínových a pyrimidínových báz a výsledkov röntgenovej difrakčnej analýzy získaných M. Wilkinsom a R. Franklinom v roku 1953 navrhli J. Watson a F. Crick model molekuly DNA. Za vývoj dvojvláknovej molekuly DNA získali Watson, Crick a Wilkins v roku 1962 Nobelovu cenu.
Molekula DNA má dve vlákna navzájom paralelné, ale v opačnom poradí. Monoméry DNA sú deoxyribonukleotidy: adenyl (A), tymidyl (T), guanyl (G) a cytosyl (C). Reťazce sú držané pohromade vodíkovými väzbami: medzi A a T dva, medzi G a C tri vodíkové väzby. Dvojitá špirála molekuly DNA je skrútená do tvaru špirály a jedna otáčka obsahuje 10 párov nukleotidov. Cievky špirály sú držané pohromade vodíkovými väzbami a hydrofóbnymi interakciami. V molekule deoxyribózy sú voľné hydroxylové skupiny v polohách 3' a 5'. V týchto polohách sa môže vytvoriť diesterová väzba medzi deoxyribózou a kyselinou fosforečnou, ktorá spája nukleotidy navzájom. V tomto prípade jeden koniec DNA nesie 5'-OH skupinu a druhý koniec nesie 3'-OH skupinu. DNA je najväčšia organická molekula. Ich dĺžka sa u ľudí v baktériách pohybuje od 0,25 nm do 40 mm (dĺžka najväčšej molekuly proteínu nie je väčšia ako 200 nm). Hmotnosť molekuly DNA je 6 x 10 -12 g.
DNA postuláty
1. Každá molekula DNA pozostáva z dvoch antiparalelných polynukleotidových reťazcov tvoriacich dvojitú špirálu skrútenú (vpravo alebo vľavo) okolo stredovej osi. Antiparalelnosť je zabezpečená spojením 5' konca jedného vlákna s 3' koncom druhého vlákna a naopak.
2. Každý nukleozid (pentóza + báza) je umiestnený v rovine kolmej na os špirály.
3. Dva reťazce špirály sú držané pohromade vodíkovými väzbami medzi bázami A–T (dve) a G–C (tri).
4. Párovanie báz je vysoko špecifické a prebieha podľa princípu komplementarity, v dôsledku čoho sú možné len páry A:T, G:C.
5. Sekvencia báz v jednom reťazci sa môže výrazne líšiť, ale ich sekvencia v inom reťazci je striktne komplementárna.
DNA má jedinečné vlastnosti replikácie (schopnosť samočinného zdvojenia) a opravy (schopnosť samočinnej opravy).
replikácia DNA- reakcia syntézy matrice, proces zdvojenia molekuly DNA reduplikáciou. V roku 1957 M. Delbrück a G. Stent na základe výsledkov experimentov navrhli tri modely zdvojenia molekuly DNA:
Komu konzervatívny: zabezpečuje zachovanie pôvodnej dvojvláknovej molekuly DNA a syntézu novej, tiež dvojvláknovej molekuly;
- polokonzervatívne: zahŕňa oddelenie molekuly DNA na monoreťazce v dôsledku prerušenia vodíkových väzieb medzi dusíkatými bázami dvoch reťazcov, po čom sa na každú bázu, ktorá stratila partnera, pripojí komplementárna báza; dcérske molekuly sa získajú ako presné kópie rodičovskej molekuly;
- rozptýlené: spočíva v rozklade pôvodnej molekuly na nukleotidové fragmenty, ktoré sa replikujú. Po replikácii sú nové a rodičovské fragmenty náhodne zostavené.
V tom istom roku 1957 M. Meselson a F. Stahl experimentálne dokázali existenciu semikonzervatívneho modelu založeného na Escherichia coli. A o 10 rokov neskôr, v roku 1967, japonský biochemik R. Okazaki rozlúštil mechanizmus replikácie DNA polokonzervatívnym spôsobom.
Replikácia sa uskutočňuje pod kontrolou množstva enzýmov a prebieha v niekoľkých fázach. Jednotkou replikácie je replikón - úsek DNA, ktorý sa v každom bunkovom cykle len 1 krát dostane do aktívneho stavu. Replikón má východiskové body a koniec replikácia. V eukaryotoch sa v každej DNA súčasne objavuje veľa replikónov. Počiatok replikácie sa pohybuje sekvenčne pozdĺž vlákna DNA v rovnakom smere alebo v opačných smeroch. Pohyblivá predná časť replikácie je vidlica - replikatívne alebo replikačná vidlica.
Ako pri každej reakcii syntézy matrice, replikácia má tri stupne.
Zasvätenie: enzýmová väzba helikázy (helikázy) k pôvodu replikácie. Helikáza odvíja krátke úseky DNA. Potom sa ku každému oddelenému reťazcu pripojí proteín viažuci DNA (DBP), čo bráni opätovnému spojeniu reťazcov. Prokaryoty majú ďalší enzým DNA gyráza, ktorý pomáha helikáze odvíjať DNA.
Predĺženie: následné komplementárne pridávanie nukleotidov, v dôsledku čoho sa reťazec DNA predlžuje.
K syntéze DNA dochádza okamžite na oboch jej reťazcoch. Keďže enzým DNA polymeráza dokáže zostaviť reťazec nukleotidov iba v smere od 5' do 3', jeden z reťazcov sa replikuje nepretržite (v smere replikačnej vidlice) a druhý sa replikuje diskontinuálne (s tvorbou Okazakiho fragmentov ), v opačnom smere ako je pohyb replikačnej vidlice. Prvý reťazec je tzv vedenie, a druhý je zaostávajú. Syntéza DNA sa uskutočňuje za účasti enzýmu DNA polymerázy. Podobne sa na zaostávajúcom vlákne syntetizujú fragmenty DNA, ktoré sú následne zosieťované enzýmami – ligázami.
Ukončenie: ukončenie syntézy DNA po dosiahnutí požadovanej dĺžky molekuly.
oprava DNA- schopnosť molekuly DNA „opravovať“ poškodenie, ktoré vzniklo v jej reťazcoch. Na tomto procese sa podieľa viac ako 20 enzýmov (endonukleázy, exonukleázy, reštrikčné enzýmy, DNA polymerázy, ligázy). Oni sú:
1) nájsť zmenené oblasti;
2) odrežte a odstráňte ich z reťaze;
3) obnoviť správnu sekvenciu nukleotidov;
4) obnovený fragment DNA je fúzovaný so susednými oblasťami.
DNA plní v bunke špeciálne funkcie, ktoré sú určené jej chemickým zložením, štruktúrou a vlastnosťami: uchovávanie, rozmnožovanie a implementácia dedičnej informácie medzi novými generáciami buniek a organizmov.
RNA sú bežné vo všetkých živých organizmoch a sú reprezentované molekulami rôznych veľkostí, štruktúr a funkcií. Pozostávajú z jedného polynukleotidového reťazca tvoreného štyrmi typmi monomérov – ribonukleotidov: adenyl (A), uracil (U), guanyl (G) a cytosyl (C). Každý ribonukleotid pozostáva z dusíkatej bázy, ribózy a zvyšku kyseliny fosforečnej. Všetky molekuly RNA sú presnými kópiami určitých úsekov DNA (génov).
Štruktúra RNA je určená sekvenciou ribonukleotidov:
- primárny– sekvencia ribonukleotidov v reťazci RNA; ide o akýsi záznam genetickej informácie; definuje sekundárnu štruktúru;
-sekundárne- vlákno RNA stočené do špirály;
- terciárne– priestorové usporiadanie celej molekuly RNA; terciárna štruktúra zahŕňa sekundárnu štruktúru a fragmenty primárnej, ktoré spájajú jeden úsek sekundárnej štruktúry s druhým (transport, ribozomálna RNA).
Sekundárne a terciárne štruktúry sú tvorené vodíkovými väzbami a hydrofóbnymi interakciami medzi dusíkatými zásadami.
Messenger RNA (i-RNA)- programuje syntézu bunkových proteínov, pretože každý proteín je kódovaný príslušnou mRNA (i-RNA obsahuje informácie o sekvencii aminokyselín v proteíne, ktorý sa má syntetizovať); hmotnosť 104 -2x106; molekula s krátkou životnosťou.
Transfer RNA (t-RNA)- 70-90 ribonukleotidov, hmotnosť 23 000-30 000; pri implementácii genetickej informácie dodáva aktivované aminokyseliny na miesto syntézy polypeptidu, „rozpoznáva“ zodpovedajúcu časť i-RNA; v cytoplazme je reprezentovaná dvoma formami: t-RNA vo voľnej forme a t-RNA spojená s aminokyselinou; viac ako 40 druhov; desať %.
Ľudské telo obsahuje veľké množstvo organických zlúčenín, bez ktorých si nemožno predstaviť stabilný priebeh metabolických procesov, ktoré podporujú životne dôležitú činnosť všetkých. Jednou z týchto látok sú nukleotidy – ide o fosforečné estery nukleozidov, ktoré zohrávajú rozhodujúcu úlohu pri prenose informačných údajov, ako aj pri chemických reakciách s uvoľňovaním vnútrobunkovej energie.
Ako samostatné organické jednotky tvoria výplňové zloženie všetkých nukleových kyselín a väčšiny koenzýmov. Pozrime sa podrobnejšie na to, čo sú nukleozidové fosfáty a akú úlohu zohrávajú v ľudskom tele.
Z čoho sa skladá nukleotid. Považuje sa za mimoriadne zložitý ester patriaci do skupiny fosforových kyselín a nukleozidov, ktoré podľa svojich biochemických vlastností patria medzi N-glykozidy a obsahujú heterocyklické fragmenty spojené s molekulami glukózy a atómom dusíka.
V prírode sa najčastejšie vyskytujú nukleotidy DNA.
Okrem toho sa rozlišujú aj organické látky s podobnými štruktúrnymi charakteristikami: ribonukleotidy, ako aj deoxyribonukleotidy. Všetky bez výnimky sú monomérne molekuly patriace ku komplexným biologickým látkam polymérneho typu.
Tvoria RNA a DNA všetkých živých bytostí, od najjednoduchších mikroorganizmov a vírusových infekcií až po ľudské telo.
Zvyšok molekulárnej štruktúry fosforu medzi nukleozidovými fosfátmi tvorí esterovú väzbu s dvomi, tromi a v niektorých prípadoch bezprostredne s piatimi hydroxylovými skupinami. Medzi základné látky, ktoré vznikli zo zvyškov kyseliny fosforečnej, takmer bez výnimky patria nukleotidy, preto sú ich väzby stabilné a nerozpadajú sa vplyvom nepriaznivých faktorov vnútorného a vonkajšieho prostredia.
Poznámka!Štruktúra nukleotidov je vždy zložitá a je založená na monoesteroch. Poradie nukleotidov sa môže meniť pod vplyvom stresových faktorov.
Biologická úloha
Vplyv nukleotidov na priebeh všetkých procesov v tele živých bytostí skúmajú vedci, ktorí študujú molekulárnu štruktúru vnútrobunkového priestoru.
Na základe laboratórnych zistení získaných ako výsledok dlhoročnej práce vedcov z celého sveta sa rozlišuje táto úloha nukleozidových fosfátov:
- univerzálny zdroj vitálnej energie, vďaka ktorému sú bunky vyživované, a teda udržiava sa normálne fungovanie tkanív, ktoré tvoria vnútorné orgány, biologické tekutiny, epiteliálny obal a cievny systém;
- sú transportéry glukózových monomérov v bunkách akéhokoľvek typu (ide o jednu z foriem metabolizmu uhľohydrátov, kedy sa konzumovaný cukor vplyvom tráviacich enzýmov premieňa na glukózu, ktorá sa spolu s nukleozidovými fosfátmi prenáša do každého kúta tela);
- vykonávať funkciu koenzýmu (zlúčeniny vitamínov a minerálov, ktoré pomáhajú zásobovať bunky živinami);
- komplexné a cyklické mononukleotidy sú biologickými vodičmi hormónov, ktoré sa šíria spolu s prietokom krvi a tiež zvyšujú účinok neurónových impulzov;
- alostericky regulujú aktivitu tráviacich enzýmov produkovaných tkanivami pankreasu.
Nukleotidy sú súčasťou nukleových kyselín. Sú spojené tromi a piatimi väzbami fosfodiesterového typu. Genetici a vedci, ktorí zasvätili svoj život molekulárnej biológii, pokračujú v laboratórnom výskume nukleozidových fosfátov, a tak sa svet každý rok dozvedá ešte zaujímavejšie veci o vlastnostiach nukleotidov.
Sekvencia nukleotidov je akousi genetickou rovnováhou a rovnováhou usporiadania aminokyselín v štruktúre DNA, zvláštnym poradím umiestnenia esterových zvyškov v zložení nukleových kyselín.
Stanovuje sa pomocou tradičnej metódy sekvenovania biologického materiálu vybraného na analýzu.
T, tymín;
A - adenín;
G, guanín;
C, cytozín;
R – GA adenín v komplexe s guanínom a purínovými bázami;
Y, TC pyrimidínové zlúčeniny;
K, GT nukleotidy obsahujúce ketoskupinu;
M - AC zahrnutý v aminoskupine;
S - GC výkonný, charakterizovaný tromi zlúčeninami vodíka;
W - AT sú nestabilné, ktoré tvoria iba dve vodíkové väzby.
Poradie nukleotidov sa môže meniť a označenie latinskými písmenami je nevyhnutné v prípadoch, keď poradie éterových zlúčenín nie je známe, je nevýznamné alebo sú už dostupné výsledky primárnych štúdií.
Najväčší počet variantov a kombinácií nukleozidových fosfátov je charakteristický pre DNA. Na napísanie esenciálnych zlúčenín RNA stačia symboly A, C, G, U. Posledným písmenným označením je látka uridín, ktorá sa nachádza iba v RNA. Symbolická postupnosť sa vždy píše bez medzier.
Užitočné video: nukleové kyseliny (DNA a RNA)
Koľko nukleotidov je v DNA
Aby sme čo najpodrobnejšie pochopili, čo je v stávke, človek by mal jasne rozumieť samotnej DNA. Ide o samostatný typ molekúl, ktoré majú predĺžený tvar a pozostávajú zo štruktúrnych prvkov, konkrétne nukleozidových fosfátov. Koľko nukleotidov je v DNA? Existujú 4 typy základných zlúčenín tohto typu, ktoré sú súčasťou DNA. Ide o adenín, tymín, cytozín a guanín. Všetky tvoria jeden reťazec, z ktorého sa tvorí molekulárna štruktúra DNA.
Štruktúru DNA prvýkrát rozlúštili už v roku 1953 americkí vedci Francis Crick a James Watson. Jedna molekula deoxyribonukleovej kyseliny obsahuje dva reťazce nukleozidových fosfátov. Sú umiestnené tak, že vyzerajú ako špirála krútiaca sa okolo svojej osi.
Poznámka! Počet nukleotidov v DNA je nezmenený a obmedzený len na štyri druhy – tento objav priviedol ľudstvo bližšie k rozlúšteniu kompletného ľudského genetického kódu.
V tomto prípade má štruktúra molekuly jednu dôležitú vlastnosť. Všetky nukleotidové reťazce majú vlastnosť komplementarity. To znamená, že len esenciálne zlúčeniny určitého typu sú umiestnené oproti sebe. Je známe, že adenín sa vždy nachádza oproti tymínu. Žiadna iná látka okrem guanínu sa nenachádza oproti cytozínu. Takéto nukleotidové páry tvoria princíp komplementarity a sú neoddeliteľné.
Hmotnosť a dĺžka
Pomocou zložitých matematických výpočtov a laboratórnych štúdií boli vedci schopní stanoviť presné fyzikálne a biologické vlastnosti základných zlúčenín, ktoré tvoria molekulárnu štruktúru kyseliny deoxyribonukleovej.
Je známe, že dĺžka jedného intracelulárneho zvyšku, pozostávajúceho z aminokyselín v jedinom polypeptidovom reťazci, je 3,5 angstromu. Priemerná hmotnosť jedného molekulárneho zvyšku je 110 amu.
Okrem toho sa izolujú aj monoméry nukleotidového typu, ktoré vznikajú nielen z aminokyselín, ale majú aj éterové zložky. Sú to monoméry DNA a RNA. Ich lineárna dĺžka sa meria priamo vo vnútri nukleovej kyseliny a je aspoň 3,4 angstromov. Molekulová hmotnosť jedného nukleozidfosfátu je v rozsahu 345 amu. Ide o počiatočné údaje, ktoré sa využívajú pri praktických laboratórnych prácach venovaných experimentom, genetickým štúdiám a iným vedeckým aktivitám.
Lekárske označenia
Genetika ako veda sa vyvinula ešte v období, keď neexistovali žiadne štúdie o štruktúre DNA ľudí a iných živých bytostí na molekulárnej úrovni. Preto sa v období premolekulárnej genetiky označovali nukleotidové väzby za najmenší prvok v štruktúre molekuly DNA. V minulosti aj v súčasnosti podliehali esenciálne látky tohto typu. Mohlo by to byť spontánne alebo indukované, preto sa výraz „recon“ používa aj na označenie nukleozidových fosfátov s poškodenou štruktúrou.
Na definovanie pojmu nástup možnej mutácie v dusíkatých zlúčeninách nukleotidových väzieb sa používa pojem „mutón“. Tieto označenia sú viac žiadané pri laboratórnej práci s biologickým materiálom. Používajú ich aj genetici, ktorí študujú štruktúru molekúl DNA, spôsoby prenosu dedičných informácií, ich šifrovanie a možné kombinácie génov, ktoré sú výsledkom fúzie genetického potenciálu dvoch sexuálnych partnerov.
V kontakte s
Nukleové kyseliny sú prírodné vysokomolekulárne organické zlúčeniny, polynukleotidy, ktoré zabezpečujú ukladanie a prenos dedičných (genetických) informácií v živých organizmoch.
Tieto organické zlúčeniny objavil v roku 1869 švajčiarsky lekár v bunkách bohatých na jadrový materiál (leukocyty, lososie spermie). Nukleové kyseliny sú neoddeliteľnou súčasťou bunkových jadier, a preto dostali svoje meno (z lat. jadro- jadro). Okrem jadra sa nukleové kyseliny nachádzajú aj v cytoplazme, centriolách, mitochondriách a chloroplastoch.
V prírode existujú dva typy nukleových kyselín: deoxyribonukleová (DNA) a ribonukleová (RNA). Líšia sa zložením, štruktúrou a funkciami. DNA je dvojvláknová a RNA je jednovláknová.
Nukleové kyseliny sú biopolyméry, ktoré dosahujú obrovské veľkosti. Dĺžka ich molekúl je státisíce nanometrov (1 nm = 10–9 m), čo je tisíckrát viac ako dĺžka molekúl bielkovín. Molekula DNA je obzvlášť veľká. Molekulová hmotnosť nukleových kyselín dosahuje desiatky miliónov a miliárd (105–109). Napríklad hmotnosť DNA E. coli je 2,5 x 109 a v jadre ľudskej zárodočnej bunky (haploidná sada chromozómov) je dĺžka molekúl DNA 102 cm.
2. NC - neperiodické polyméry. Typy nukleotidov a ich štruktúra
Nukleové kyseliny sú neperiodické biopolyméry, ktorých polymérne reťazce sú tvorené monomérmi nazývanými nukleotidy. Molekuly DNA a RNA obsahujú štyri typy nukleotidov.
Zloženie nukleotidov DNA a RNA
Zvážte štruktúru nukleotidu. Nukleotidy sú zložité organické zlúčeniny, ktoré obsahujú tri zložky.
Deoxyribonukleotidy obsahujú pyrimidínové bázy tymín a cytozín a v zložení ribonukleotidov - cytozín a uracil . adenín a guanín sú súčasťou nukleotidov DNA aj RNA.
Úloha. Molekula DNA pozostáva z dvoch reťazcov – hlavného, na ktorom sa syntetizuje mRNA, a doplnkového. Napíšte poradie nukleotidov v syntetizovanej mRNA, ak je poradie nukleotidov v hlavnom (pracovnom) reťazci DNA nasledovné: C-G-C-T-G-A-T-A-G.
rozhodnutie
Pomocou princípu komplementarity určíme poradie usporiadania nukleotidov v mRNA syntetizovanej pozdĺž pracovného reťazca DNA: G-C-G-A-C-U-A-U-C.
odpoveď: G-Ts-G-A-Ts-U-A-U-Ts
Úloha. Chemická analýza ukázala, že 28 % z celkového počtu nukleotidov tejto mRNA tvorí adenín, 6 % guanín a 40 % uracil. Aké by malo byť nukleotidové zloženie zodpovedajúcej časti dvojvláknovej DNA, z ktorej informácie „prepisuje“ táto mRNA?
rozhodnutie
1. S vedomím, že reťazec molekuly RNA a pracovný reťazec molekuly DNA sú navzájom komplementárne, určíme obsah nukleotidov (v %) v pracovnom reťazci DNA:
· v reťazci mRNA G = 6 %, čo znamená, že v reťazci pracovnej DNA C = 6 %;
V reťazci mRNA A = 28 %, potom v reťazci pracovnej DNA T = 28 %;
V reťazci mRNA Y = 40 %, čo znamená, že v reťazci pracovnej DNA A = 40 %;
2. Stanovte obsah reťazca mRNA (v %) cytozínu.
Zhrňme si obsah troch ďalších typov nukleotidov v reťazci mRNA: 6 % + 28 % + + 40 % = 74 % (G+A+U);
Určte podiel cytozínu v reťazci mRNA: 100 % - 74 % = 26 % (C);
Ak v reťazci mRNA C=26 %, potom v reťazci pracovnej DNA G=26 %.
odpoveď: C = 6 %; T = 28 %; A = 40 %; G=26 %
Úloha . Na fragmente jedného reťazca DNA sú nukleotidy usporiadané v sekvencii: A-A-G-T-C-T-A-A-C-G-T-A-T. Nakreslite schému štruktúry molekuly dvojvláknovej DNA. Aká je dĺžka tohto fragmentu DNA? Koľko (v %) nukleotidov je v tomto reťazci DNA?
rozhodnutie
1. Na princípe komplementarity buduje druhý reťazec danej molekuly DNA: T-T-C-A-G-A-T-T-G-C-A-T-A.
2. Pri znalosti dĺžky jedného nukleotidu (0,34 nm) určíme dĺžku tohto fragmentu DNA (v DNA sa dĺžka jedného reťazca rovná dĺžke celej molekuly): 13x0,34 = 4,42 nm.
3. Vypočítajte percento nukleotidov v tomto reťazci DNA:
13 nukleotidov – 100 %
5 A – x %, x \u003d 38 % (A).
2 G - x %, x \u003d 15,5 % (G).
4 T – x %, x = 31 % (T).
2 C - x %, x \u003d 15,5 % (C).
odpoveď: T-T-C-A-G-A-T-T-G-C-A-T-A; 4,42 nm; A = 38; T = 31 %; G = 15,5 %; C = 15,5 %.
Úloha. V laboratóriu sa skúmal úsek jedného z reťazcov molekúl DNA. Ukázalo sa, že pozostáva z 20 monomérov, ktoré sú usporiadané v nasledujúcom poradí: G-T-G-T-A-A-C-G-A-C-C-G-A-T-A-C-T-G -T-A.
Čo možno povedať o štruktúre zodpovedajúceho úseku druhého vlákna tej istej molekuly DNA?
rozhodnutie
S vedomím, že reťazce molekuly DNA sú navzájom komplementárne, určíme sekvenciu nukleotidov druhého reťazca tej istej molekuly DNA: C-A-C-A-T-T-G-C-T-G-G-C-T-A-T-G-A-C-A-T.
Úloha. Na fragmente jedného reťazca DNA sú nukleotidy usporiadané v poradí: A-A-G-T-C-T-A-C-G-T-A-T ...
1. Nakreslite schému štruktúry druhého vlákna tejto molekuly DNA.
2. Aká je dĺžka tohto fragmentu DNA v nm, ak má jeden nukleotid približne 0,34 nm?
3. Koľko (v %) nukleotidov obsahuje tento fragment molekuly DNA?
rozhodnutie
1. Dokončíme druhý reťazec tohto fragmentu molekuly DNA pomocou pravidla komplementarity: T-T-C-A-G-A-T-G-C-A-T-A.
2. Určte dĺžku tohto fragmentu DNA: 12x0,34=4,08 nm.
3. Vypočítajte percento nukleotidov v tomto fragmente DNA.
24 nukleotidov – 100 %
8A - x %, teda x = 33,3 % (A);
pretože podľa Chargaffovho pravidla A=T potom obsah T=33,3 %;
24 nukleotidov – 100 %
4D - x %, teda x \u003d 16,7 % (G);
keďže podľa Chargaffovho pravidla G=C to znamená, že obsah C=16,6 %.
odpoveď: T-T-C-A-G-A-T-G-C-A-T-A; 4,08 nm; A = T = 33,3 %; G=C=16,7 %
Úloha. Aké bude zloženie druhého vlákna DNA, ak prvé obsahuje 18 % guanínu, 30 % adenínu a 20 % tymínu?
rozhodnutie
1. S vedomím, že reťazce molekuly DNA sú navzájom komplementárne, určíme obsah nukleotidov (v %) v druhom reťazci:
keďže v prvom reťazci G = 18 %, potom v druhom reťazci C = 18 %;
keďže v prvom reťazci A = 30 %, potom v druhom reťazci T = 30 %;
keďže v prvom reťazci T = 20 %, potom v druhom reťazci A = 20 %;
2. Určite obsah cytozínu v prvom reťazci (v %).
Zhrňme si obsah troch ďalších typov nukleotidov v prvom reťazci DNA: 18 % + 30 % + 20 % = 68 % (G+A+T);
Určte podiel cytozínu v prvom reťazci DNA: 100 % - 68 % = 32 % (C);
Ak v prvom reťazci C=32 %, potom v druhom reťazci G=32 %.
odpoveď: C = 18 %; T = 30 %; A = 20 %; G=32 %
Úloha. V molekule DNA je 23 % adenylnukleotidov z celkového počtu nukleotidov. Určte množstvo tymidylových a cytosylových nukleotidov.
rozhodnutie
1. Podľa Chargaffovho pravidla zistíme obsah tymidylnukleotidov v danej molekule DNA: A=T=23%.
2. Nájdite súčet (v %) obsahu adenylových a tymidylových nukleotidov v danej molekule DNA: 23 % + 23 % = 46 %.
3. Nájdite súčet (v %) obsahu guanylových a cytosylových nukleotidov v tejto molekule DNA: 100 % - 46 % = 54 %.
4. Podľa Chargaffovho pravidla tvoria v molekule DNA G=C celkovo 54 % a jednotlivo: 54 % : 2 = 27 %.
odpoveď: T = 23 %; C=27 %
Úloha. Daná molekula DNA s relatívnou molekulovou hmotnosťou 69 tisíc, z toho 8625 adenylnukleotidov. Relatívna molekulová hmotnosť jedného nukleotidu je v priemere 345. Koľko nukleotidov je jednotlivo v tejto DNA? Aká je dĺžka jeho molekuly?
rozhodnutie
1. Určte, koľko adenylových nukleotidov je v danej molekule DNA: 8625: 345 = 25.
2. Podľa Chargaffovho pravidla A=G, teda v tejto molekule DNA A=T=25.
3. Určte, koľko z celkovej molekulovej hmotnosti tejto DNA tvoria guanylové nukleotidy: 69 000 - (8625x2) = 51 750.
4. Určte celkový počet guanylových a cytosylových nukleotidov v tejto DNA: 51 750:345=150.
5. Oddelene stanovte obsah guanylových a cytosylových nukleotidov: 150:2 = 75;
6. Určte dĺžku tejto molekuly DNA: (25 + 75) x 0,34 = 34 nm.
odpoveď: A = T = 25; G=C=75; 34 nm.
Úloha. Podľa niektorých vedcov je celková dĺžka všetkých molekúl DNA v jadre jednej ľudskej zárodočnej bunky asi 102 cm Koľko párov báz je v DNA jednej bunky (1 nm = 10–6 mm)?
rozhodnutie
1. Preveďte centimetre na milimetre a nanometre: 102 cm = 1020 mm = 1 020 000 000 nm.
2. Pri znalosti dĺžky jedného nukleotidu (0,34 nm) určíme počet párov báz obsiahnutých v molekulách DNA ľudskej gaméty: (102 x 107): 0,34 = 3 x 109 párov.
odpoveď: 3x109 párov.
Domáca úloha
1. Naučte sa abstraktne
2. riešiť problémy
možnosť 1
1. Sú uvedené fragmenty jedného reťazca molekuly DNA: C-A-A-A-T-T-G-G-A-C-G-G-G. Určte obsah (v %) každého typu nukleotidu a dĺžku tohto fragmentu molekuly DNA.
2. V molekule DNA sa našlo 880 guanylových nukleotidov, ktoré tvoria 22 % z celkového počtu nukleotidov tejto DNA? Určte, koľko ďalších nukleotidov je obsiahnutých (jednotlivo) v tejto molekule DNA. Aká je dĺžka tejto DNA?
Možnosť 2
1. Sú uvedené fragmenty jedného reťazca molekuly DNA: A-G-C-C-G-G-G-A-A-T-T-A. Určte obsah (v %) každého typu nukleotidu a dĺžku tohto fragmentu molekuly DNA.
2. V molekule DNA sa našlo 250 tymidylnukleotidov, ktoré tvoria 22,5 % z celkového počtu nukleotidov tejto DNA. Určte, koľko ďalších nukleotidov je obsiahnutých (jednotlivo) v tejto molekule DNA. Aká je dĺžka tejto DNA?
3. Rozdeľte abstrakty podľa možností. Možnosť 1 - DNA; možnosť 2 - RNA.
1. Jednovláknová molekula.
2. Dvojvláknová molekula.
3. Obsahuje adenín, uracil, guanín, cytozín.
4. Obsahuje adenín, tymín, guanín, cytozín.
5. Ribóza je súčasťou nukleotidov.
6. Nukleotidy obsahujú deoxyribózu.
7. Obsiahnuté v jadre, chloroplastoch, mitochondriách, centrioly, ribozómy, cytoplazma.
8. Obsiahnuté v jadre, chloroplastoch, mitochondriách.
9. Podieľa sa na uchovávaní, reprodukcii a prenose dedičných informácií.
10. Podieľa sa na prenose dedičných informácií.
