Контрольная работа по "Биохимии"

В зависимости от вида пентозы, присутствующей в нуклеотиде, различают два вида нуклеиновых кислот – рибонуклеиновые  кислоты (РНК), которые содержат рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие дизоксирибозу.

3. Остаток фосфорной кислоты. Нуклеиновые кислоты являются кислотами потому, что в их молекулах содержится фосфорная кислота. 

Нуклеотид - фосфорный эфир нуклеозида. В состав нуклеозида входят два компонента: моносахарид (рибоза или дезоксирибоза) и азотистое основание. 

В конце 40-х — начале 50-х годов, когда появились такие методы исследования, как хроматография  на бумаге и УФ-спектроскопия, были проведены многочисленные исследования нуклеотидного состава НК (Чаргафф, А. Н. Белозерский). Полученные данные позволили решительно отбросить старые представления о нуклеиновых кислотах, как о полимерах, содержащих повторяющиеся тетрануклеотидные последовательности (так называемая тетрануклеотидная теория строения ПК, господствовавшая в 30—40-е годы), и подготовили почву для создания современных представлений не только о первичной структуре ДНК и РНК, но и об их макромолекулярной структуре и функциях. 

Метод определения состава  ПК основан на анализе гидролизатов, образующихся при их ферментативном или химическом расщеплении. Обычно используются три способа химического расщепления НК. Кислотный гидролиз в жестких условиях (70%-ная хлорная кислота, 100°С, 1ч или 100%-ная муравьиная кислота, 175 °C, 2 ч), применяемый для анализа как ДНК, так и РНК, приводит к разрыву всех N-гликозидных связей и образованию смеси пуриновых и пиримидиновых оснований. При исследовании РНК могут использоваться как мягкий кислотный гидролиз (1 н. соляная кислота, 1OO°C, 1 ч), в результате которого образуются пуриновые основания и пирамидиновые нуклеозид-2'(3')-фосфаты, так и щелочной гидролиз (0,3 н. едкий кали, 37 °С, 20 ч), дающий смесь нуклеозид -2' (3') -фосфатов. 

Поскольку в НК число  нуклеотидов каждого вида равно  числу соответствующих оснований, для установления нуклеотидного  состава данной НК достаточно определить количественное соотношение оснований. Для этой цели из гидролизатов с помощью хроматографии на бумаге или электрофореза (когда в результате гидролиза получают нуклеотиды) выделяют индивидуальные соединения. Каждое основание независимо от того, связано оно с углеводным фрагментом или нет, обладает характерным максимумом поглощения в УФ, интенсивность которого зависит от концентрации. По этой причине, исходя из УФ-спектров выделенных соединений, можно определить количественное соотношение оснований, а следовательно, и нуклеотидный состав исходной НК. 

При количественном определении  минорных нуклеотидов, особенно таких  неустойчивых, как дигидроуридиловая  кислота, пользуются ферментативными  методами гидролиза (ФДЭ змеиного яда  и селезенки). 

Использование описанных  выше аналитических приемов показало, что ПК различного происхождения состоят за редким исключением из четырех основных нуклеотидов и что содержание минорных нуклеотидов может меняться в значительных пределах. 

РНК (рибонуклеиновая  кислота), так же как ДНК, представляет собой полимер, мономерами которого служат нуклеотиды. Азотистые основания те же самые, что входят в состав ДНК (аденин, гуанин, цетозин); четвертое - урацил - присутствует в молекуле РНК вместо тимина. Нуклеотиды РНК содержат вместо дизоксирибозы другую пентозу - рибозу.

ДНК

При исследовании нуклеотидного  состава нативных ДНК различного происхождения Чаргаффом были обнаружены следующие закономерности.

1. Все ДНК независимо  от их происхождения содержат  одинаковое число пуриновых и  пиримидиновых оснований. Следовательно,  в любой ДНК на каждый пуриновый нуклеотид приходится один пиримидиновый.

2. Любая ДНК всегда  содержит в равных количествах  попарно аденин и тимин, гуанин  и цитозин, что обычно обозначают  как А=Т и G=C. Из этих закономерностей  вытекает третья.

3. Количество оснований, содержащих аминогруппы в положении 4 пиримидинового ядра и 6 пуринового (цитозин и аденин), равно количеству оснований, содержащих оксо-группу в тех же положениях (гуанин и тимин), т. е. A+C=G+T. Эти закономерности получили название правил Чаргаффа. Наряду с этим было установлено, что для каждого типа ДНК суммарное содержание гуанина и цитозина не равно суммарному содержанию аденина и тимина, т. е. что (G+C)/(A+T), как правило, отличается от единицы (может быть как больше, так и меньше ее). По этому признаку различают два основных типа ДНК: А  Т-тип с преимущественным содержанием аденина и тимина и G  C-тип с преимущественным содержанием гуанина и цитозина.

Величину отношения  содержания суммы гуанина и цитозина к сумме содержания аденина и  тимина, характеризующую нуклеотидный состав данного вида ДНК, принято называть коэффициентом специфичности. Каждая ДНК имеет характерный коэффициент специфичности, который может изменяться в пределах от 0,3 до 2,8. При подсчете коэффициента специфичности учитывается содержание минорных Оснований, а также замены основных оснований их производными. Например, при подсчете коэффициента специфичности для ЭДНК зародышей пшеницы, в которой содержится 6% 5-метилцитозина, Последний входит в сумму содержания гуанина (22,7%) и цитозина (16,8%). Смысл правил Чаргаффа для ДНК стал понятным после установления ее пространственной структуры.

РНК

Первые сведения о  нуклеотидном составе РНК относились к препаратам, представляющим собой  смеси клеточных РНК (рибосомных, информационных и транспортных) и называемым обычно суммарной фракцией РНК. Правила Чаргаффа в этом случае не соблюдаются, хотя определенное соответствие между содержанием гуанина и цитозина, а также аденина и урацила все же имеет, место.

Данные, полученные в  последние годы при анализе индивидуальных РНК, показывают, что и на них правила Чаргаффа не распространяются. Однако различия в содержании аденина и урацила, а также гуанина и цитозина для большинства РНК невелики и что, следовательно, тенденция к выполнению указанных правил все же наблюдается. Этот факт объясняется особенностями макроструктуры РНК.

Характерными структурными элементами некоторых РНК являются минорные основания. Соответствующие  им нуклеотидные остатки обычно входят в состав транспортных и некоторых  других РНК в очень небольших количествах, поэтому определение полного нуклеотидного состава таких РНК представляет собой иногда весьма сложную задачу.

Виды РНК

Существует три вида основных вида РНК.

1. Информационная (матричная) РНК – мРНК.

Наиболее разнородная  по размерам, структуре и стабильности группа молекул РНК с длиной цепи 75-3000 нуклеотидов и массой 250 тыс. – 1 млн дальтон (Да). мРНК представляет собой полинуклеотидную незамкнутую цепь. Единой пространственной структуры, характерной хотя бы для большинства мРНК, не обнаружено.

Все мРНК объединяет их функции  – они служат в качестве матриц для синтеза белков, передавая  информацию об их структуре с молекул  ДНК.

2. Транспортная (акцепторная) РНК – тРНК

Самая маленькая из РНК. Молекулы тРНК состоят из 75-100 нуклеотидов и весит 20-30 тыс.Да. Функция тРНК – перенос аминокислот к синтезируемой молекуле белка.

Число различных видов  тРНК в клетке невелико: 20-61. Все они  имеют сходную пространственную организацию. Благодаря внутрицепочечным комплементарным взаимодействиям молекула тРНК приобретает характерную вторичную структуру, которую традиционно изображают в виде плоского креста, называя ее клеверным крестом. Трехмерная же модель тРНК выглядит несколько иначе. В тРНК выделяют 4 петли (или плеча):

а) Акцепторная (служит местом присоединения переносимой аминокислоты);

б) Антикодоновая (узнает кодон в мРНК в процессе трансляции);

в) Боковые.

3. Рибосомная РНК – рРНК.

Одноцепочечные нуклеиновые  кислоты, которые в комплекте  с рибосомными белками образуют рибосомы – органеллы, на которых происходит синтез белка.

рРНК – разнородная  группа молекул с длиной цепи 120-3500 нуклеотидов и весом 35 тыс.-1,5 млн  Да.

В клетке больше всего  содержится рРНК, значительно меньше тРНК и совсем немного мРНК. Так, у кишечной палочки Е.coli соотношение этих видов РНК составляет примерно 82%, 16 и 2%, соответственно.

Сравнение

Между ДНК и РНК  есть три основных отличия:

1. ДНК содержит сахар дезоксирибозу, РНК — рибозу, у которой есть дополнительная, по сравнению с дезоксирибозой, гидроксильная группа. Эта группа увеличивает вероятность гидролиза молекулы, то есть уменьшает стабильность молекулы РНК. 

2. Нуклеотид, комплементарный аденину, в РНК не тимин, как в ДНК, а урацил — неметилированная форма тимина. 

3. ДНК существует в форме двойной спирали, состоящей из двух отдельных молекул. Молекулы РНК, в среднем, гораздо короче и преимущественно одноцепочечные 

Азотистые основания

Азотистые основания — это ароматические гетероциклические соединения, производные пиримидина или пурина. Пять соединений этого класса являются основными структурными компонентами нуклеиновых кислот. Общими для всей живой материи. Пуриновые основания аденин (Ade, но не А) и гуанин (Guа), а также пиримидиновое основание цитозин (Cyt), входят в состав ДНК  и РНК. В состав  ДНК  входит также  тимин  (Thy), 5-метил-производное  урацила.  Основание урацил  (Ura) входит только в состав  РНК. В  ДНК   высших  организмов  в небольшом количестве присутствует 5-метилцитозин. Производные азотистых основанийприсутствуют в тРНК (см.с. 88) и в других типах РНК.

Нуклеозиды, нуклеотиды

Соединения азотистых оснований с рибозой или 2-дезоксирибозой носят название нуклеозиды. Так, например,  аденин  и  рибоза  образуют  нуклеозидаденозин  (1, сокращенно А). Соответствующие производные других азотистых   оснований  носят названия  гуанозин  (G),  уридин  (U),  тимидин  (T) и цитидин (С). Если углеводный остаток представлен 2 - дезоксирибозой образуется  дезоксинуклеозид, например 2'-дезоксиаденозин (dA). В  клетке  5'-ОН-группа углеводного остатка  нуклеозида  этерифицирована  фосфорной кислотой. Соответствующее производное 2'-дезокситимидина (dT), звено ДНК, называется 2'-дезокситимидин-5'-монофосфат (dTMP) (2). Если 5'-фосфатный остаток соединяется с другими нуклеозидфосфатными остатками. получаются нуклеозид и нуклеозидтрифосфаты, например АДФ и АТФ — важнейшие  коферменты  энергообмен. Все  нуклеозидфосфаты  объединяют под общим названием  нуклеотиды.

Гликозидная связь (англ. Glycosidic bond) — это тип ковалентной связи, которая соединяет молекулу сахара с другой молекулой, часто с другим сахаром. Гликозидная связь образуется междуполуацетальной группой сахара (или производной сахара) и гидроксильной группой органического соединения, например, спирта.^[1]

Связь между аминогруппой или другой группой, содержащей атом азота, с сахаром, часто также называется гликозидной связью. Например, связь между сахаром и азотистым основанием в нуклеозиде называют гликозидной связью.

Азотистое основание  с присоединенным к нему углеводным остатком, называют нуклеозидом. В нуклеозидах ковалентная связь образована С¹-атом сахара и N¹- атомом пиримидина или N⁹- атомом пурина, такая связь называется гликозидной. Что бы избежать путаницы в нумерации, атомы углеводной части отличают штрихом. Для наиболее распространенных нуклеозидов приняты тривиальные названия: аденозин, гуанозин, уридин и цитидин. Дезоксирибонуклеозиды называются дезоксиаденозин, дезоксигуанозин, дезоксицитидин и тимидин.

Нуклеозиды являются фрагментом структуры нуклеотидов; однако многие нуклеозиды встречаются в свободном состоянии. Некоторые из них обладают лечебными свойствами. Различные микроорганизмы выделяют арабинозилцитозин и арабинозиладенин, в состав которых входит b-D-арабиноза вместо рибозы. Эти вещества используются в качестве мощных антивирусных и антигрибковых агентов и против некоторых видов рака. Механизм действия ara-А и ara-С основан на ингибирование биосинтеза ДНК.

Рис.1.

Фосфодиэфирная  связь — высокоэнергетическая совокупность ковалентных связей, образуемая атомом фосфора в фосфатной группе и двумя молекулами посредством двух эфирных связей. Фосфодиэфирные связи играют ключевую роль во всех биологических системах, образуя остов нуклеиновых кислот ДНК и РНК.  

Нуклеиновые кислоты  это полимеры, состоящие из нуклеозидмонофосфатов, соединенных фосфодиэфирными связями. Поскольку фосфатная группа участвует  в образовании двух эфирных связей с участием 3^/-и 5^/-углеродных атомов сахарных остатков двух соседних нуклеотидов эту связь называют 3^/- и 5^/-фосфодиэфирной связью.

Ниже изображены короткие структурные фрагменты цепей  РНК и ДНК, позволяющие представить  соединение отдельных нуклеотидов  в цепи.

Рис.2.  Фрагмент РНК фрагмент ДНК

У полинуклеотида имеется 5^/-конец со свободной фосфатной группой и 3^/-конец со свободной ОН-группой. Фосфатные группы в этих цепях обладают сильнокислотными свойствами. При рН~7 фосфатная группа ионизирована полностью, поэтому в естественных условиях нуклеиновые кислоты существуют в виде полианинов (несут множество отрицательных зарядов).

Нуклеиновые кислоты  отличаются друг от друга числом мононуклеотидных остатков в молекуле, нуклеотидным составом и порядком чередования нуклеитидных остатков, фактически оснований, поскольку пентозофосфатные части у всех мономеров одинаковы. Для краткого изображения первичной структуры нуклеиновых кислот пользуются однобуквенными символами нуклеозидов.