Нуклеиновые кислоты, генетический код, синтез макромолекул

Нуклеиновые кислоты, генетический код, синтез макромолекул.
Нуклеиновые кислоты — это макромолекулы, которые содержат информацию, определяющую последовательность аминокислот в белках и осуществляют подбор и правильное соединение выбранных аминокислот в белковой цепи.

Нуклеиновые кислоты

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) является своеобразным архивом «технической» и «юридической» документации клетки, который содержит всю информацию, необходимую для построения клеток и тканей организма. Точное дублирование этой информации в раду поколений у некоторых видов гарантирует их генетическую непрерывность. Эта информация распределена и ранжирована в генах — особых молекулярных единицах, открытых классиками генетики Грегором Менделем и Томасом Морганом. Гены — это наследуемые единицы, контролирующие характерные черты каждого организма. В процессе транскрипции информация, хранящаяся в ДНК, копируется рибонуклеиновыми кислотами (РНК), которые играют в синтезе белков три различных роли. Информационная РНК (иРНК) копирует и транспортирует от ДНК к месту синтеза белка «инструкции” о правильной последовательности аминокислот. Процесс прецизионного последовательного выполнения этой инструкции называется трансляцией иРНК. Для осуществления трансляции информация, заключенная в иРНК, интерпретируется двумя другими типами РНК — транспортной (тРНК) и рибосомальной (рРНК). Фундаментальным достижением молекулярной биологии XX в. является открытие структуры ДНК в 1953 г. и последующее выявление этапов синтеза ДНК, РНК и белка. Чтобы понять, как ДНК управляет синтезом РНК, которая, в свою очередь, управляет постройкой белков, необходимо рассмотреть структурные элементы, из которых состоят эти нуклеиновые кислоты. Затем нужно разобраться в механизмах их полимеризационного синтеза и превращения в макромолекулы. Кроме этого необходимо усвоить роли иРНК, тРНК и РРНК в синтезе белка. Наконец, нужно изучить биохимические этапы образования белков
♦ ДНК — генетический материал, который передает наследственную информацию, определяющую аминокислотную последовательность при построении белков. Она переписывается (транскрибируется) несколькими типами РНК (иРНК тРНК и рРНК), которые непосредственно участвуют в белковом синтезе.
♦ ДНК и РНК являются длинными неразветвленными полимерами нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из гетероциклического основания, связанного с фосфатной группой через пяти-углеродный сахар (дезоксирибозу или рибозу соответственно),
♦ ДНК и РНК содержат по две пары оснований — пуриновых и пиримидиновых. В обеих нуклеиновых кислотах присутствуют два пурина — аденин (А) и гуанин (Г) и один пиримидин — цитозин (Ц). В качестве второго пиримидина в ДНК содержится тимин (Т), а в РНК — урацил (У).
♦ Азотистые основания в нуклеиновых кислотах способны взаимодействовать путем образования водородных связей. Стандартные пары азотистых оснований: Г-Ц и А-Т в ДНК и Г-Ц и A-У в РНК. Такие сшивки стабилизируют естественную трехмерную структуру нуклеиновых кислот.
♦ Объединение нуклеотидов в полинуклеотид происходит с помощью диэстерных связей. Концы завершенной цепи нуклеиновой кислоты химически различны. На одном из них находится свободный гидроксил или фосфатная группа присоединенная к 5′ углероду сахара («5′-конец»), а на другом — свободная гидроксильная группа, принадлежащая З’ углероду сахара («З’-конец»).
Последовательность нуклеотидов всегда считывается в направлении от 5′-конца к З’-концу (как бы слева направо).
♦ ДНК содержит две комплементарные полинуклеотидные спирали, свитые одна вокруг другой в направлении часовой стрелки. Спирали обращены основаниями вовнутрь, а сахарно-фосфатным скелетом — наружу. Эту нативную структуру стабилизируют пары оснований (А-Т и Г-Ц) и гидрофобные взаимодействия между соседними основаниями в каждой из цепей.
♦ Спиральная структура ДНК может быть деформирована ветками, которые вызывают локальную петлю или деспирализацию ее молекулы.
♦ Полинуклеотидная цепь синтезируется путем комплементарного копирования уже имеющейся, матричной последовательности. В этом процессе двойная молекула ДНК частично деспирализуется и расчленяется, обнажая неспаренные основания. Материалом для комплементарного «выращивания» новой цепи на одной из цепей матричной молекулы являются свободные нуклеотиды, присутствующие поблизости, которые скрепляются при помощи соответствующих ферментов (РНК-полимеразы или ДНК-полимеразы).
РНК-полимераза может инициировать транскрипцию ДНК в РНК. Она связывается со специфическим стартовым участком н расчленяет двойную спираль. Этот фермент движется вдоль молекулы ДНК, расчленяет последовательные ее сегменты н добавляет нуклеотиды к растущей цепи РНК. Как правило, только одна из нитей ДНК трансибируется в РНК.
В репликации ДНК участвуют 4 фермента. Геликаза раскручивает и расчленяет двойную спираль. Топоизомераза выпрямляет участки скручивания высших порядков. Специализированная РНК-лолимераза формирует стартовые зоны (РНК праймеры), без чего ДНК-полимераза не может начать синтез. ДНК — полимераза катализирует добавление нуклеотидов к растущей нити и продвижение региона разделения спиралей.
Во время репликации ДНК две новых дочерних цепи синтезируются несколько по-разному, так как ДНК-полимераза может добавлять нуклеотовды только в направлении 5′ —> 3′. Одна из новых нитей (ведущая нить) прирастает непрерывно от единственной стартовой зоны. Вторая нить синтезируется прерывисто в виде серии коротких сегментов, инициируемых множеством стартовых зон. После извлечения промежуточных РНК — праймеров соседние сегменты сшиваются с помощью ДНК лигазы.
♦ В прокариотической ДНК взаимосвязанные белок-кодирующие гены сгруппированы в функциональные кластеры — опероны, которые транскрибируют одну молекулу иРНК. В эукариотической ДНК каждый белок-кодируюший ген начинает транскрипцию со своего собственного стартового участка.
♦ Природные РНК представляют собой однонитчатые полинуклеотиды, которые образуют строго определенные вторичные и третичные структуры. Некоторые РНК (рибозимы) обладают и каталитической активностью.
♦ Генетическая информация «записана» на ДНК в виде кодов — последовательности нуклеотидных троек — триплетов. Эта информация переносится на иРНК путем создания соответствующих комплементарных кодов на ее синтезируемой молекуле.
Такие триплетные коды на и РНК, определяющие при синтезе белка ту или иную аминокислоту, называются кодонами. Каждый кодон определяет одну аминокислоту, хотя некоторые аминокислоты определяются множеством кодонов.
♦ Кодон АУГ для аминокислоты метионина, как правило, является стартовым и устанавливает первую аминокислоту на NH2- конце белковой цепи. Существуют три кодона, обозначающих конец белкового кода и при этом не определяют никакой аминокислоты. Такие кодоны — своеобразные знаки препинания, позволяющие упорядочить информацию, транслирующуюся в последовательность аминокислот.
♦ Непрерывная последовательность кодонов на иРНК от специфического старт-кодона до стоп-кодона называется рамкой считывания. Она транслируется в линейную последовательность аминокислот в белке.
♦ Декодирование нуклеотидной последовательности иРНК в последоваггельность аминокислот в белках осуществляется молекулами тРНК с помощью специфических ферментов флуоресцентными антителами (иммуно — флуоресцентная микроскопия).
♦ Для изучения внутриклеточных сигнальных процессов в живых клетках, которые обычно опосредуются кальцием, а также для определения динамики внутриклеточного pH, применяют красители, флуоресценция которых пропорциональна концентрации внутриклеточного Ca2+ или Н+.
♦ Конфокальная микроскопия, использующая лазерное освещение объекта и компьютерную обработку изображения, позволяет видеть флуоресцирующие молекулы и органеллы иа выбранной глубине исследуемого образца, создавая эффект «оптических срезов». Кроме того, этот метод позволяет достичь очень высокого качества изображения.
♦ Фазово-контрастный метод микроскопии и оптика Намарского позволяют исследователям без применения каких-либо химических средств контрастирования увидеть детали живых клеток и регистрировать клеточные движения.
♦ Для того чтобы применять электронную микроскопию, образцы тканей должны быть зафиксированы, порезаны на тонкие срезы, высушены и затем «окрашены» электроно-плотными тяжелыми металлами.
♦ Не фиксированные и не окрашенные клетки могут быть рассмотрены под электронным микроскопом, если они будут заморожены в свежем (не высушенном) виде. Такая техника называется криоэлектронная микроскопия.
♦ Чтобы создать изображение несрезанной клетки или участка ткани или даже целого органа, например насекомого, используют сканирующий электронный микроскоп, создающий изображения, кажущиеся объемными.
♦ С помощью различных технических средств (гомогенизаторов, сонификаторов, ультрацентрифуг и др.) можно разрушить целостность клеток и выделить фракции отдельных органелл для последующего их исследования биохимическими методами.
♦ Длинные цепи жирных кислот каждого из слоев фосфолипидного биослоя ориентируются навстречу друг другу и образуют внутреннюю гидрофобную толщу биослоя, обе же его поверхности образованы полярными гидрофильными головками фосфолипидных молекул.
♦ Фосфолипидный биослой представляет собой основную структуру всех биомембран. В нее включены также белки, гликопротеины, гликолипиды, холестерол и другие стероиды. Присутствие специфических белковых группировок в биослое определяет и специфичность функций различных типов мембран.
♦ Биологические мембраны — ассиметричные структуры. Ограничивая определенные замкнутые пространственные компартменты, они, следовательно, имеют наружную и внутреннюю поверхности. Для внешней мембраны клетки (плазмолеммы) это экзоплазматическая и цитозольная поверхности соответственно.
В молекулярном отношении их ассиметрия заключается в специфической ориентации мембранных белков между двумя поверхностями. В плазмолемме наружная сторона отличается также наличием гликолипидной «пленки».
♦ Внутримембранные белки и липиды способны перемещаться в гидрофобном слое, образуя жидкую мозаичную структуру с чередованием белковых и липидных участков.
♦ Важным физико-химическим свойством фосфолипидного биослоя яаляется его термозависимость. В относительно узких пределах температур он может принимать состояние геля (при охлаждении) или золя (при нагревании), т.е. соответственно, более или менее вязкой структуры.
♦ Во всех клетках белки плазмолеммы способны селективно абсорбировать различные внутри — и внеклеточные молекулы и обеспечивать определенный ионный состав внутриклеточной среды. Они участвуют в прикреплении мембраны к волокнам цитоскелета, с одной стороны, и внеклеточному матриксу или клеточной стенке (у растений), с другой стороны. У многоклеточных организмов белки плазматической мембраны участвуют в межклеточных контактах, обеспечивая специфические для каждой ткани интегрирующие взаимодействия.
♦ У растений клеточные стенки, состоящие главным образом из целлюлозы, определяют форму клеток и создают определенные механические свойства растительных тканей.
♦ Ядро — центральный орган клетки. Оно окружено внутренней и внешней мембранами, содержащими множество пор, через которые осуществляется транспорт различных молекул между ядром и цитозолем. Наружная ядерная мембрана входит в состав системы шероховатого эндоплазматического ретикулума.
Цитозоль — богатая белками среда, где размещены органеллы. Цитозоль содержит множество водорастворимых ферментов и три главных типа белковых филаментов: актиновые микрофиламенты, микротрубочки и промежуточные филаменты. Во всех животных и растительных клетках эти филаменты образуют сложную мобильную сеть — цитоскелет, который придает клетке определенную форму и участвует в движении органелл, субстратов и продуктов в цитозоле.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Яндекс.Метрика