Молекулна структура на нк

Нуклеиновите киселини са макромолекули. Срещат се ДНК и РНК. Двата типа НК са много сходни помежду си. Представляват линейни полимери, изградени от нуклеотиди. Дължината на клетъчните РНКи варира в рамките от 100 до няколко хиляди нуклеотида, докато някои ДНКи достигат размер от стотици милиони нуклеотиди.

Четири типа са нуклеотидите. Всеки нуклеотид се състои от три основни компонента: азотна база, пентоза и фосфатна група. Азотните бази биват пуринови и пиримидинови.

НК съдържат по два пурина и по два пиримидина. Пурините и за двата типа НК са аденин и гуанин. Пиримидините за ДНКа са цитозин и тимин, а за РНК – цитозин и урацил.

Дезоксирибонуклеотидите на ДНК съдържат дезоксирибоза, а рибонуклеотидите на РНК – рибоза.

В зависимост от разположението на азотната база спрямо пентозата се различават syn и anti конформация. Пиримидиновите бази предпочитат anti конформацията, докато пуриновите могат да заемат и двете.

Между карбонилните и аминогрупите се формират водородни връзки. Тези връзки осигуряват комплементарното сдвояване на две вериги от НК. Едни от най-важните водородни връзки са тези, постулирани от Уотсън и Крик. Означават се като уотсънкрикови взаимодействия. Те се проявяват между А и Т(У) и между Г и Ц. Между А и Т(У) се формират две водородни връзки, докато между Г и Ц се формират три такива. Тази специфичност в сдвояването на базите осигурява правилното протичане на репликацията на генетичния материал.

Двойноспиралната структура на ДНК се дължи на факта, че базите застават комплементарно една на друга. Тази дуплексна структура се поддържа от две сили: водородни връзки и стекинг взаимодействия. Комплементарността на ДНК веригите се дължи на образуването на точно определени водородни връзки между базите, докато стабилността на двойната спирала се определя от неспецифичните стекинг взаимодействия.

Известни са няколко форми на ДНК: A, B, C, D, T, L и Z. Структурата на ДНК, изведена от Уотсън и Крик, се означава като В-форма. Тя е най-стабилна при физиологични условия.

Дясновъртящи форми:

• 
  А-формата: Базовите двойки на едно завъртане са 11; по-силно пакетирана; конформацията на гликозидната връзка е anti.
  
• 
  В-формата е нативната форма на ДНК; на едно завъртане на спиралата се падат по 10 базови двойки; конформацията на гликозидната връзка е anti.
  
• 
  С-формата на ДНК е по-разтегната
  
• 
  D-формата е изкуствено получена.
  
• 
  Т-формата съвпада с D-формата.
  
• 
  L-формата се получава при свързването на ДНК с платинови съединения.
  

Формите на ДНК не съществуват самостоятелно една от друга. При специфични условия те преминават една в друга.

По време на репликацията и транскрипцията двете вериги на ДНК трябва да се отделят една от друга, за да може да се осигури едноверижна матрица за синтезиране на комплементарна верига от свободните нуклеотиди. Развиването и отделянето на двете вериги на ДНК се означава като процес на денатурация. Повишаване на топлинната енергия води до повишаване скоростта на движение на молекулите, при което се късат водородни връзки и се осигурява стабилизирането на двойната спирала. В резултат на това двете вериги се отделят една от друга. Екстремни стойности на рН денатурират ДНК при по-ниска температура. При ниско рН базите се протонират и зареждат положително, в резултат на което се отблъскват. При високо рН базите се депротонират и се зареждат отрицателно и отново се отблъскват поради еднаквия си заряд.

Понижаването на температурата, повишаването на йонната концентрация или неутрализирането на рН дават възможност на двете комплементарни вериги на ДНК да се реасоциират. Процесът на ренатурацията на двете ДНК вериги зависи от времето, от концентрацията на ДНК и от йонната сила на разтвора. Когато двете ДНК вериги не са комплементарни помежду си, те не могат да ренатурират и остават в разтвора под формата на хаотично кълбо.

Геномната ДНК на много прокариотни организми и вируси са циклични. Освен това ДНК молекули с такава топология са установени и в митохондриите, и хлороспластите, които са еукариотни органели. Всяка от двете вериги в цикличната ДНК молекула формира структура със затворени краища. Локални разплитания на цикличната ДНК молекула, които настъпват в резултат на репликация, индуцират торзионен стрес в останалата част от молекулата на ДНК. Краищата на веригите не са свободни и затова не могат да се завъртят и да противодействат на торзионното напрежение. Бактериалните и еукариотните клетки съдържат топоизомераза I. Този ензим може да освободи торзионния стрес, който се генерира в клетъчните ДНК по време на репликацията или други процеси. Ензимът се свързва с ДНК на неопределени места и къса фосфодиестерна връзка в рамките на една верига. Скъсаният край след това се развива и се завърта около другата верига. По този начин се освобождава суперспирализирания участък. Топоизомераза I действа и в обратната посока, тъй като съшива двата края на срязаната верига. Друг тип ензим, топизомера II, осигурява двойноверижни скъсвания в молекулата на ДНК и след това ги съшива отново.

РНК представлява дълга полинуклеотидна верига, която може да бъде едно- или двойноверижна, циклична или линейна. Първичната структура на РНК и на ДНК е до голяма степен сходна. Пентозата в РНК е рибоза, а базата тимин е заменена с базата урацил.

Повечето клетъчни РНКи са под формата на едноверижни структури. Най-простите вторични структури в едноверижни РНК молекули се формират при сдвояването на комплементарни бази.

В разтвор тРНК молекулите придобиват точно определена триизмерна структура, която е изключително важна при белтъчната синтеза. Големите рРНК молекули също притежават локални добре обособени пространствени структури, поддържани от подвижни връзки. С вторична и третична структура се отличават и крайните участъци на иРНКи.

Нагънатите домени на РНК молекулите не изпълняват само структурна роля. В някои случаи те притежават и каталитична активност. Такива РНКи са рибозимите. рРНК изпълняват каталитична функция при формирането на пептидни връзки по време на белтъчната синтеза.

Организация на генома

В прокариотните клетки ДНК е организирана под формата на бактериална хромозома. В повечето случаи представлява кръгова двойноверижна ДНК молекула. Известни са и бактерии с линейни хромозоми.

Повечето гени се транскрибират под формата на иРНК моелкули, които кодират белтъчни продукти. Съществуват и изключения, при които ДНК се транскрибира като РНК, но последната не кодира АК последователност. Такива са гените за тРНК и рРНК молекулите.

Много от бактериланите иРНК молекули са полицистронни. Това означава, че единична иРНК молекула включва нуклеотидна последователност, която кодира синтезата на няколко белтъка, които функционират съвместно в даден биологичен процес. Пример за такава иРНК молекула е триптофановият оперон. Той представлява последователност от гени в рамките на една иРНК молекула, които са отговорни за синтетичния път на АК-та триптофан.

Повечето еукариотни иРНК молекули са моноцистронни. Това означава, че иРНК молекулите кодират само една полипептидна верига. Тази основна разлика между про- и еукариотните иРНК молекули е в основата на различията в транслацията при двата типа организми. При повечето еукариотни иРНК молекули 5` шапката насочва рибозомата към мястото на свръзване и транслацията започва от най-близко разположения старт кодон (АУГ). Транслацията започва само в този точно определен сайт, а не от произволен такъв. Първичните транскрипти на кодиращите гени при еукариотите се процесират до една иРНК молекула, която кодира само една полипептидна верига.

Повечето гени на многоклетъчните животни и растения съдържат некодиращи нуклеотидни последователности. Интроните се отстраняват по време на РНК процесирането.

Самостоятелна транскрипционна единица се транскрибира под контрола на специфичен промотор. Продуктът от тази транскрипция е единичен първичен транскрипт.

Комплексните транскрипционни единици са характерни за многоклетъчните организми. Те са резултат от алтернативен сплайсинг. Първичният РНК транскрипт може да се процесира по няколко различни начина, в резултат на което се получават зрели иРНК молекули с нееднакъв състав на екзоните. Всяка иРНК молекула е моноцистронна и информацията, която носи, кодира синтезата само на една полипептидна верига.

Едининични гени, генни фамилии, тандемно повторени гени, повторени участъци

По-голямата част от ДНК в клетките на редица организми носи последователности, които не кодират РНК или не изпълняват регулаторни и структурни функции. Нуклеотидните последователности в рамките на хромозомната ДНК може да се класифицират в зависимост от структурата и функциите, които изпълняват. Най-общо се различават белтък-кодиращи гени, тандемно повторени гени, повторени участъци и линкерна ДНК.

В повечето многоклетъчни организми грубо около 25-50% от белтък-кодиращите гени присъстват като единично копие в хаплоидния геном. Означават се като единични гени. Такъв е и генът за лизозим (от пиле). Състои се от четири екзона и три интрона. Открива се в белтъка на яйцето, както и в човешкия слъзен секрет. Активността му осигурява поддържане на стерилни условия в областта на окото и в самото яйце.

Дуплицираните гени съставляват втората група от белтък-кодиращите гени. Обхващат гени с близки последователности, които не са напълно идентични.

Набор от дуплицирани гени, които кодират белтъци със сходни аминокиселинни последователности, се означават като генна фамилия. Хомоложните с близка първична белтъчна структура съставят белтъчно семейство. .

Гените, кодиращи β-глобинподобните белтъци, също се обособяват в генна фамилия. Тя се състои от пет функционални гена. Така е формирана молекулата на хемоглобина. Ролята на хемоглобините е да осигуряват транспорта на кислород в кръвта. Различните хемоглобини обаче се експресират на различен етап от онтогенетичното развитие на човека в отговор на физиологичните потребности. .

В генома на еукариотните клетки присъстват множество копия на други ДНК секвенции, които се означават като повторени участъци от ДНК. Съществуват два основни класа подобни последователности: прости ДНК последователности и разпръснати повтори (умерено повторени). Първата група повторени участъци се състои от идентични или почти идентични повтори на относително къси секвенции. Тези прости ДНК секвенции се означават като сателитна ДНК. Получават се по време на самата репликация, тъй като ДНК полимеразата е възможно да прочете една и съща последователност повече от веднъж.