След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания



страница1/3
Дата14.01.2017
Размер317.85 Kb.
#12692
  1   2   3
Нуклеинови киселини
Цели

Цели на преподавателя: Да се разгледа значението, съставът и структурата на нуклеиновите киселини и да се дадат примери за приложението на тези познания в медицината.

След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели:

А. Знания

1) да дадат дефиниция за нуклеинови киселини;

2) да дефинират що е нуклеозид и нуклеотид и да изброят съставните им части;

3) да дефинират термина "минорни бази" и да дадат примери за минорни пуринови и пиримидинови бази;

4) да дефинират що е цикличен нуклеотид;

5) да дадат примери за ролята на свободните нуклеотиди;

6) да посочат примери за аналози на пуриновите и пиримидиновите бази като антивирусни и антитуморни агенти;

7) да дефинират фосфодиестерната връзка между нуклеотидите в нуклеиновите киселини;

8) да дефинират какво е първична структура на НК;

9) да опишат особеностите и конформацията на ДНК и на различните видове РНК (иРНК, рРНК, тРНК, мяРНК);

10) да обяснят накратко какво представляват хромозоми, хроматин, нуклеозоми, рибозоми;
Б. Разбирания

1) да обяснят лактим-лактамната тавтомерия при базите и нейното значение;

2) да обяснят значението на минорните бази;

3) да разбират каква е връзката между базата и пентозата в нуклеозида и каква е връзката между пентозата и фосфорната киселина в нуклеотида;

4) да обяснят разликата между моно-, ди- и три-нуклеозидфосфатите;

5) да разбират и обяснят защо аналози на пуриновите и пиримидиновите бази служат като антивирусни и антитуморни агенти;

6) да разбират и обяснят особеностите на полинуклеотидните вериги;

7) да разбират и обяснят причините за вариации в конформацията на ДНК;

8) да обяснят биологичната роля на различните видове РНК;

9) да обяснят какво представляват генетичните болести;

10) да обяснят какво представлява хибиридизация;

В. Умения

1) да пишат формулите на пуриновите и пиримидинови нуклеозидмоно-, ди- и трифосфати, вкл. и на циклични нуклеотиди, напр. 3',5'-цикличен АМФ и 3',5'-цикличен ГМФ;

2) да представят първичната структура на нуклеинови киселини посредством структурни формули и съкратено;

3) да могат да сравняват първична структура на нуклеинови киселини с тази на белтъци;

4) да визуализират конформацията на нуклеинови киселини в различни модели посредством програмата RasMol;

5) да прилагат знанията от този раздел за разбиране механизма и/или възможностите за потискане на злокачествен растеж и инфекции;

6) да прилагат изучената теория, за да обяснят първопричината за някои генетични болести, напр. сърповидноклетъчна анемия и фенилкетонурия;

7) да осъществяват търсене по биохимичен термин в рамките на сайта или извън сайта.

3.1. Резюме

ДНК съхраняват и предават наследствената информация от поколение на поколение. Тази информация, презаписана в РНК, се използва за синтеза на белтъци, тРНК и рРНК. Нуклеиновите киселини са хетеробиополимери, изградени от нуклеотиди, свързани помежду си с 3',5'-фосфодиестерни връзки. Нуклеотидът е производна органична структура, която съдържа база (пуринова или пиримидинова), пентоза и фосфорна киселина. При свързване на базата с пентоза чрез N-гликозидна връзка се образува нуклеозид. Връзката между пентозата на нуклеозида и фосфорната киселина е естерна. ДНК съдържат дезоксирибоза, а РНК - рибоза. Пуриновите бази са аденин (А) и гуанин (Г). Пиримидиновите бази са урацил (У), цитозин (Ц) и тимин (Т). В ДНК участват А, Г, Ц и Т. В РНК участват А, Г, Ц и У. Като свободни съединения нуклеотидите имат важна роля в метаболизма.

ДНК са високомолекулни структури, изградени от две комплементарни и антипаралелни вериги. Моделът на Watson и Crick за двойната спирала на ДНК обяснява откритите от Чаргаф закономерности за равенство в концентрацията на А и Т и на Г и Ц. Дезоксирибозо-фосфатният скелет на веригите е от външната страна на спиралата, а базите от двете вериги са насочени едни към други и свързани с водородни връзки (две между А и Т и три между Г и Ц). Денатурация на ДНК е процес, при който при увеличаване на температурата, снижаване на йонната сила, или други причини, веригите се разделят. При бавно охлаждане е възможна ренатурация. По-издържливи на денатурация са ДНК, в които двойките Г-Ц преобладават над А-Т. Вследствие вариации в конформацията на нуклеотидите, ДНК може да бъде в Z-, В- и А-форма. При физиологични условия преобладава В-формата. В ДНК има специфични (около 75 %) и повтарящи се (около 25 % ) секвенции. Наличието на специфични мотиви (повтори) в ДНК може да е причина за вариации в конформацията като огъване, фуркетни и други форми, тройно- и четворноверижни участъци. Пакетирането на ДНК започва от нуклеозомите, минава през нишки с диаметър 10 и 30 nm и през други по-висши структури достига до митотичните хромозоми или интерфазния хроматин.

Разгледани са и характерните особености в структурата на иРНК, рРНК, тРНК, необходими за осъществяване на тяхната функция при реализиране на генетичната информация, както и структурата на малката и голямата субединица на рибозомите.

Структурни аналози на бази или техни производни имат приложение за потискане на туморен растеж или микробиални инфекции.

3.2. Видове и биологична роля

Нуклеиновите киселини са хетеробиополимери с изключителна биологична роля, отразена в т.н. централна догма на молекулната биология, формулирана от Франсис Крик (фиг. 3-1).






Фиг. 3-1. "Централна догма", формулирана от Ф. Крик за ролята на нуклеиновите киселини за съхраняване и предаване на наследствената информация.

1- репликация на ДНК, 2 - транскрипция на ДНК; 3 - транслация на информацията; 4 - обратна транскрипция.

Дезоксирибонуклеиновите киселини (ДНК) съхраняват и предават наследствената информация от едно поколение на друго, а освен това определят свойствата на живата клетка чрез регулиране експресията на генетичната информация, главно чрез упражняване на контрол върху синтезата на рибонуклеинови киселини (РНК) и белтъци.

Синтезата на нова идентична ДНК или предаването на наследствената информация от едно поколение на друго (процес 1 на схемата) се означава като репликация на ДНК. Презаписването или транскрипцията на информацията (процес 2) представлява синтеза на РНК. Превеждането или транслацията на информацията (процес 3) предствлява синтеза на белтъци. В някои вируси е възможен и обратен поток на информацията от РНК към ДНК (процес 4) -обратна транскрипция.

Различните видове РНК участват в белтъчната биосинтеза, някои от тях действат като катализатори. В някои вируси РНК, а не ДНК, са носители на генетичната информация - напр. ретровируси. Такъв е вирусът, причиняващ СПИН (HIV). Обмяната и функциите на нуклеиновите киселини са разгледани в глави 12-15.

3.3. Състав на нуклеиновите киселини. Структура на нуклеотидите

За разлика от белтъците, които са изградени от основни органични структури (аминокиселини), нуклеиновите киселини са изградени от нуклеотиди, които са производни органични структури.

Нуклеотидът е изграден от азотна база, пентоза и фосфорна киселина.



3.3.1. Пуринови и пиримидинови бази

На фиг. 3-2 са представени главните азотни бази в нуклеиновите киселини: две пуринови - аденин (А) и гуанин (Г) и три пиримидинови - цитозин (Ц), урацил (У) и тимин (Т). Номерацията на атомите в пуриновия пръстен е, както следва: в 6-атомния пръстен е обратно на часовниковата стрелка, а в 5-атомния пръстен по часовниковата стрелка. Номерацията в пиримидиновия пръстен е по часовниковата стрелка.








Фиг. 3-2. Пуринови и пиримидинови азотни бази в нуклеиновите киселини.

Освен главните бази, в нуклеиновите киселини има в значително по-малки количества и други - т. н. минорни бази (фиг. 3-3). Тези бази са химически модифицирани (метилирани и други) производни на главните бази. Те имат важно физиологично значение - служат за разпознаване на олигонуклеотиди, за регулиране полуживота на РНК, а също и за разпознаване на "свои" от "чужди" бази, т.е. в някои случаи метилирането има защитна функция - метилираните бази се възприемат от ДНК-разграждащи ензими (рестриктази) като свои. Разграждат се само неметилирани (чужди) бази. Метилирането в нуклеиновите киселини не е случайно, то се извършва в определени участъци под действие на специални ензими. По-често се метилират А и Ц, отколкото Г и Т. В състава на секвенцията 5'-ГАТ-3' А може да бъде метилиран и това е индикация за вярна/стара верига при поправяне на грешки при репликация на ДНК. В еукариоти около 5 % от Ц е метилиран, най-вече в ЦГ секвенции. Често степента на метилираните ГЦ участъци е обратно пропорционална на степента на генна експресия.

Съществуват и бази, които не участват в състава на нуклеиновите киселини, но имат значение в или за организма (фиг. 3-4). При разграждане на нуклеотиди се получават базите хипоксантин и ксантин, които се окисляват до крайния продукт пикочна киселина. В кафето, чая и какаото се съдържат базите кофеин, теофилин, теобромин.



Фиг. 3-3. Примери за минорни бази в РНК (7-метилгуанин, хипоксантин, 4-тио-урацил, псевдоурацил) и в ДНК (N6-метиладенин, N2-метилгуанин, 5-метилцитозин и 5-хидроксиметилцитозин. Псевдоурацил е идентичен с урацил, но в нуклеозида псевдоуридин (вж т.3.3.4) за свързване с пентозата участва не N1, а C5.







Фиг. 3-4. Примери за бази, които не участват в състава на нуклеиновите киселини, но имат значение в или за организма.

3.3.2. Тавтомерия при базите

При наличие на кето (оксо) и амино-заместители в ароматните ядра на пурини и пиримидини се наблюдава лактам-лактимна (кето-енолна) и амино-имино тавтомерия, както е представено на фиг. 3-5. При физиологични условия преобладават лактамните и амино-формите. Докато в пуриновите бази при N9 има циклична група независимо в коя форма са, то при пиримидиновите циклична имино-група при N1 има само в предпочетените тавтомери. А тези атоми са важни за свързване с пентозата.






Фиг. 3-5. Амино-имино и лактам-лактимна (кето-енолна) тавтомерия при пурини и пиримидини. При физиологични условия преобладават амино-формите и лактамните форми.

3.3.3. Син и анти-конформери при рибо- и дезоксирибонуклеозиди

При свързване на база и пентоза се получава нуклеозид. Атомите в пентозата се номерират с примове ('). Връзката между базата и пентозата е -N-гликозидна. На фиг. 3-6 са дадени един пуринов нуклеозид (аденозин) и един пиримидинов нуклеозид (уридин).






Фиг. 3-6. Пуринов нуклеозид (аденозин) и пиримидинов нуклеозид (уридин).

N-гликозидната връзка в нуклеозидите се получава при обезводняване на цикличната NH-група при N9 в пуриновата база (или N1 в пиримидиновата база) и гликозидната НО-група при С1'-атом в пентозата.



N-гликозидната връзка в пуриновите нуклеотиди се получава при обезводняване на NH-група при N9 в базата и гликозидната НО-група при С1'-атом в пентозата. При пиримидиновите нуклеозиди връзката е между N1 в базата и С1'-атом в пентозата. Пуриновите нуклеозиди имат окончание -озин (аденозин, гуанозин), а пиримидиновите имат окончание -идин (уридин, тимидин, цитидин).

Нуклеозидите могат да съществуват в две конформационни форми (син и анти). Преобладават анти-конформерите. На фиг. 3-7 са дадени двете конформационни форми на аденозин.








Фиг. 3-7. Аденозин в конформация син и анти.

3.3.4. Нуклеотиди - номенклатура, заряд, спектри

При свързване на нуклеозид с фосфорна киселина се получава нуклеотид. На фиг. 3-8 са дадени рибонуклеотидът АМФ и дезоксирибонуклеотидът дЦМФ. Връзката между пентозата и киселината е естерна. В рибонуклеозидите има три възможни позиции за фосфорилиране: при С2'-, С3'- и С5'-атоми. В дезоксирибонуклеозидите има две възможни позиции за фосфорилиране: при С3'- и С5' атоми.






Фиг. 3-8. Структура на рибонуклеотида аденозин-5'-монофосфат (АМФ) и дезоксирибонуклеотида дезоксицитидин-5'-монофосфат (дЦМФ).

В природата преобладават нуклеозид-5'-фосфатите. В съкратеното название на нуклеотидите, напр. АМФ, буквата А вече означава не базата аденин, а нуклеозида аденозин. Ако не е указана позицията на фосфатната група, АМФ означава аденозин-5'-фосфат. Малката буква "д" пред съкращението на нуклеотида се чете "дезокси" и означава, че пентозата е дезоксирибоза, напр. дЦТФ (дезоксицитидин-5'-монофосфат).

Освен нуклеозид-монофосфати, съществат и нуклеозиддифосфати (АДФ, ГДФ, ЦДФ и пр), и нуклеозидтрифосфати (АТФ, ГТФ, ТТФ и пр.- вж фиг. 3-9), чиято биологична роля е разгледана накратко в т. 3.3.5 и в гл. 5.








Фиг. 3-9. Структура на аденозинмонофосфат (АМФ), аденозиндифосфат (АДФ) и аденозинтрифосфат (АТФ).

Трите фосфатни остатъка са означени с гръцките букви ,  и . Връзката между пентозата и -остатъка е естерна, а връзките между - и - остатъците са киселинно-анхидридни (макроергични или богати на енергия и затова са представени със символа ~ - вж гл. 5).

На фиг. 3-10 е представен цикличният нуклеотид 3',5'-АМФ (цАМФ), който, както и 3',5'-ГМФ (цГМФ), действа като вторичен посредник при предаване на хормонални сигнали (вж гл. 17).






Фиг. 3-10. Структура на цикличен 3',5'-АМФ (цАМФ).

Нуклеозидите не са заредени, но в мононуклеотидите рКa-стойностите на двете кисели групи на фосфатния остатък са около 1.0 и 6.2. Затова при физиологично рН мононуклеотидите са заредени отрицателно.

Характерните спектри на пуриновите и пиримидиновите бази и на всички техни производни имат максимум на поглъщане при 260 nm в ултравиолетовата област. Те се използват за доказване и за определяне на нуклеотиди и нуклеинови киселини. Спектрите са рН-зависими. Поглъщането при 260 nm обяснява мутагенното действие на ултравиолетовата светлина.

Пуриновите и пиримидиновите бази лесно се разделят чрез различни техники: хартиена и йонообменна хроматография, електрофореза. С HPLC-хроматография лесно се разделят и определят дори наномоларни количества от базите.

3.3.5. Роля на нуклеотидите

Нуклеотидите са градивните единици на нуклеиновите киселини.

Освен това като свободни нуклеотиди те имат съществени функции:

1) Нуклеозид-дифосфатите и нуклеозид-трифосфатите са с висок потенциал на групов пренос (съдържат киселинно-анхидридни фосфатни връзки, които са макроергични или богати на енергия връзки - вж глава 5). Донатори са на енергия за осигуряване на многобройни биосинтези и други ендергонични процеси.

2) Участие в метаболизма, например:

  - уридиловите нуклеотиди са необходими за обмяна на въглехидрати;

  - цитидиловите нуклеотиди са необходими за обмяна на фосфолипиди;

  - гуаниловите са необходими за белтъчна биосинтеза и глюконеогенеза.

3) Участват в състава на по-сложни коензими, чиито формули са дадени в глава 5. Тези коензими са никотинамидаденин динуклеотид (НАД окислен и редуциран), никотинамидаденин динуклеотидфосфат (НАДФ окислен и редуциран), флавинадениндинуклеотид (ФАД окислен и редуциран) и коензим А (КоА).

4) Имат регулаторен ефект, напр. съотношението АДФ/АТФ регулира скоростта на окисление в митохондрийната дихателна верига.

5) Някои нуклеотиди действат като алостерични ефектори (инхибитори или активатори) върху различни ензимни активности.

6) Цикличните нуклеотиди цАМФ и цГМФ участват в трансдукцията или препредаването на хормонални сигнали, а също и като активатори на транскрипция на някои гени.

3.4. Първична структура на нуклеиновите киселини

Първичната структура на нуклеиновите киселини се определя от последователността на нуклеотидите в полинуклеотидната верига. Първичната структура определя биологичните свойства на нуклеиновите киселини. В полинуклеотидните вериги нуклеотидите са свързани помежду си чрез ковалентни 3', 5'-фосфодиестерни връзки (фиг. 3-11).






Фиг. 3-11. Полинуклеотидни вериги в ДНК и РНК. Нуклеотидите са свързани чрез 3', 5'-фосфодиестерни връзки.

Полинуклеотидните вериги в еукариоти са отворени вериги с два различни края, линейни, неразклонени. Разнообразието в различните вериги се дължи на различното редуване на базите. Скелетът на всяка полинуклеотидна верига е еднакъв поради монотонно редуване на фосфатни и пентозни остатъци, свързани чрез 3'-,5'-фосфодиестерни връзки. Веригите са полярни (имат 2 различни края: 5'-край и 3'-край). В прокариоти нуклеиновите киселини могат да бъдат линейни или кръгови.

ДНК се отличават от РНК по молекулна маса, по пентозата, по пиримидиновите бази, по локализация в клетката и по функциите. Пентозата в ДНК е 2'-дезоксирибоза, а в РНК е рибоза. Цитозин, аденин и гуанин участват в ДНК и РНК. Като се изключат упоменатите в т. 3.3.1. минорни бази, като главна база урацил участва само в РНК, а тимин само в ДНК.

3.5. Особености и конформация на ДНК

3.5.1. Размери и локализация на ДНК в клетката

Единствената хромозома на E.coli съдържа една двойно-верижна кръгова молекула на ДНК, съдържаща 4 х 106 двойки бази. Във висшите организми ДНК от различни тъкани на един и същи индивид е една и съща. Хаплоидният геном на всяка човешка клетка съдържа 3 х 109 двойки бази и е разделен в 23 хромозоми. Дължината на ДНК от 46-те хромозоми на соматична клетка от човек в опънато състояние би била около 2 м.

Около 99 % от ДНК в еукариоти се намира в ядрата на клетките. Ядрената ДНК в еукариоти е свързана с белтъци, образуващи комплекс, наречен хроматин, който се наблюдава през интерфазата или хромозоми по време на митозата (вж т. 3.5.8).

ДНК (около 1 % ) има и в митохондриите. Човешките митохондрии съдържат 2 до 10 копия от нискомолекулна двойно-верижна циклична ДНК.

3.5.2. Модел на Watson и Crick

Появата на модела на Watson и Crick е обусловена от следните важни предпоставки:

1) Изследвайки два вида щамове на пневмококи: капсулирани (S-щам) и некапсулирани (R-щам), O. Eйвъри
и сътр. показаха, че именно ДНК, а не друг компонент на капсулираните S-щамове, е носител на наследствената
информация и трансформира некапсулираните R-щамове в S-щамове.

2) Изследванията на Е. Чаргаф показаха, че моларните съотношения аденин/тимин и гуанин/цитозин в ДНК


са равни на единица.

Обобщавайки наличната информация и вземайки предвид рентгено-структурните изследвания на М. Уилкинс


и Р. Франклин върху структурата на ДНК, Watson и Crick представиха своя модел за ядрената ДНК като линейна
двуверижна молекула - двойна спирала (фиг. 3-12-I).






Фиг. 3-12-I. Модел на Watson и Crick за двойно-спиралната структура на ДНК.

> Ширината на дясно-въртящата двойна спирала е 2.0 nm, а ходът на спиралата е 3.4 nm. В един ход на спиралата


има 10.5 нуклеотидни двойки. Дебелата вертикална линия представлява централната ос на спиралата.
Веригите са антипаралелни и комплементарни.

А - аденин, Г - гуанин,

Ц - цитозин, Т - тимин,

Ф - фосфатен остатък,

Д - дезоксирибозен остатък.

(По-късно е установено, че този модел съвпада с В-формата на ДНК - вж т. 3.5.4).



Дезоксирибозо-фосфатните скелети на двете вериги са от външната страна на спиралата, а базите от двете вериги са насочени едни срещу други във вътрешността на спиралата. Оформят се две различни бразди (вдлъбнатини) - малка и голяма, в които специфични белтъци взаимодействат с ДНК.

Две от киселинните групи на всеки фосфатен остатък са ангажирани в 3',5'-фосфодиестерните връзки, а третата киселинна група е свободна и дисоциира протон при физиологично рН. Затова всяка ДНК спирала има отрицателни заряди по повърхността.

На фиг. 3-12-II са дадени изображения на В-ДНК чрез програмата RasWin.


















Фиг. 3-12-II. Изображения на част от В-ДНК с програмата RasWin [1].
1, 2 и 3 - поглед отгоре,

4 и 5 - фронтален изглед.

1 и 4 - модел тип Wireframe, 2 - модел тип Backbone,

3 и 5 - модел Sticks.



Каталог: docs -> biohimia
biohimia -> Белтъци Цели Цели на преподавателя
biohimia -> Захарен диабет Цели Цели на преподавателя
biohimia -> След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания
biohimia -> Ензими Цели Цели на преподавателя
biohimia -> След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания
biohimia -> Биоенергетика Цели Цели на преподавателя
biohimia -> След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания
biohimia -> След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания
biohimia -> След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели: А. Знания


Сподели с приятели:
  1   2   3




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница