До полінуклеїнових кислот відносяться дезоксирибонуклеїнова (ДНК) і рибонуклеїнові (РНК) кислоти. Це найважливіші біополімери, які відіграють головну роль у зберіганні, передачі і реалізації генетичної інформації у живих клітинах.

 

Біополімери – (грец. bios — життя + poly — численний + meros — частина, тобто той, що складається з багатьох частин) — високомолекулярні (мол. м. 103–109) природні сполуки, які лежать в основі всіх живих організмів, виконують різноманітні біологічні функції, тим самим забезпечуючи нормальну життєдіяльність.

До численної групи Б. відносять як прості біополімери:полісахариди, нуклеїнові кислоти, білки (ферменти, деякі гормони та ін.), так і змішані біополімери: ліпополісахариди(у структурі молекул, крім оліго- та полісахаридів, знаходяться ліпіди), глікопротеїни (сполуки, в яких пептидні ланцюжки ковалентно зв’язані з оліго- та полісахаридними ланцюжками), ліпопротеїни (комплексні сполуки білків та ліпідів, які нековалентно зв’язані за рахунок гідрофобної, електростатичної взаємодії).

ІСТОРІЯ. У середині ХІХ століття було встановлено, що мат

еріал, який відповідає за передачу спадкових ознак, знаходиться у ядрі. А у 1869 р. швейцарський лікар Ф. Мішер (1844 – 1895), працюючи з ядрами клітин гною, виділив речовину, що мала кислі властивості. Цю подію оцінюють як відкриття нуклеїнових (“ядерні”) кислот. Сам термін з’явився дещо пізніше – у 1889 р. У 1891 р. німецький біохімік А. Кьоссель (1853 – 1927) провів гідроліз нуклеїнових кислот і встановив, що вони складаються з залишку цукру, фосфорної кислоти і азотистих основ, які належать до пуринів і піримідинів.

Полімерна природа нуклеїнових кислот була виявлена у 30-х рр. ХХ століття Але знадобилося більше 20-ти років для того, щоб з’ясувати всі ті складні закономірності, які лежать у основі побудови нуклеїнових полімерів. Завдяки дослідженням будови і функціонування цих полімерів у середині ХХ століття виникла нова біологічна наука – молекулярна біологія. Саме з нею пов’язані найвизначніші досягнення біології другої половини ХХ століття.

Розалінда Франклін – перша здогадалася про просторову будову ДНК (фото 51), але Нобелевську премію отримали Уотсон і Крик, та Уілкенс-її шеф, який без її відома надав цим двом її рентгенівські знімки ДНК! Полінуклеїнові кислоти належать до складних гетерополімерів, мономерами яких є нуклеотиди. Мономери не лише відрізняються між собою, але і кожен мономер має складну будову.

Первинна структура нуклеїнових кислот – це ланцюг з нуклеотидів, які зв’язані ковалентним 5′ – 3′ – фосфодиефірним зв’язком.

Значний вклад у розшифрування будови нуклеїнових кислот вніс американський біохімік Е. Чаргафф, який народився у 1905 році у м. Чернівці. Аналізуючи у 50-х рр. ХХ століття склад нуклеїнових кислот різної природи, Е. Чаргафф вивів що:

Співвідношення суми аденінів з тимінами до суми гуанінів з цитозинами однакове у ДНК з різних клітин. Ця закономірність відома під назвою правила Чаргаффа. Вона лежить у основі побудови вторинної структури нуклеїнових кислот. Вторинна структура створюється завдяки специфічним водневим зв’язкам, як
виникають між азотистими основами.

У зв’язку з тим, що між тиміном (урацилом) виникають два водневі зв’язки, а між цитозином і гуаніном – три, співвідношення між цими парами основ завжди стале.

ТИПОВА ЗАДАЧА НА ПРАВИЛО ЧАРГАФА:

Обчисліть і укажіть відсоток гуанілових нуклеотидів у ділянці молекули ДНК, якщо тимідилові нуклеотиди становлять 42 відсотки від загальної кількості.

Нам дана кількість нуклеотидів із однієї пари, а знайти слід кількість нуклеотидів із другої нуклеотидної пари. Тому достатньо від 50% відняти те, що дано, і отримаємо те, про що запитують.

50%-42%=8%

Не має потреби брати за загальну кількість 100%, оскільки це позначення всіх нуклеотидів дволанцюгової ДНК. Ми оперуємо лише 50%, оскільки інший ланцюг комплементарний, і також дорівнює 50%.

Пари азотистих основ, між якими виникають водневі зв’язки, називають комплементарними (відповідними), а
закономірність їх утворення – принципом компліментарності (відповідності).

Таким чином, у випадку, коли виникає вторинна структура нуклеїнових кислот, навпроти тиміну (урацилу) завжди знаходиться аденін (два водневі зв’язки), а навпроти цитозину – гуанін (три водневих зв’язки).

Пурини-аденін, гунін. Пірамідини – тимін, цитозин.

Пурини контактують з пірамідинами.

На один виток спіралі припадає 10 нуклеотидів, це дорівнює 10 нм (нанометрів), отже, довжина одного нуклеотиду 0,34 нм.

Вторинна структура нуклеїнових кислот утворена завдяки водневим зв’язкам, які виникають між комплементарними азотистими основами. Сама по собі вторинна структура нуклеїнових кислот нестійка, але вона відіграє значну роль у просторовій організації макромолекул. На відміну від білків, третинна структура яких відрізняється значною різноманітністю, третинна структура полінуклеїнових кислот жорстко визначена. Вона залежить від типу полінуклеїнової кислоти і її функцій. А. Кьоссель виявив, що, залежно від природи цукру, нуклеїнові кислоти поділяються на два типи:

• рибонуклеїнові (РНК), у складі нуклеотидів яких знаходиться цукор рибоза;
• дезоксирибонуклеїнові (ДНК), у складі нуклеотидів яких знаходиться цукор дезоксирибоза.

У побудові цих полімерів існує декілька принципових відмінностей

На рівні первинної структури полінуклеїнові кислоти відрізняються не лише видом цукру (рибоза чи дезоксирибоза), але і типом азотистих основ.

Аденін, гуанін і цитозин входять до складу нуклеотидів як ДНК, так і РНК, але тимін зустрічається лише у ДНК, а урацил – тільки у РНК. Розміри нуклеїнових кислот залежать від їх типу і функції.

Їх визначають трьома різними способами:

• через молекулярну масу (у дальтонах);
• через кількість нуклеотидів (для РНК – у нуклеотидах, а для ДНК – у парах нуклеотидів);
• через константу седиментації (у свебергах, 1 S = 10-13 сек.).

Рибонуклеїнові кислоти у клітині виконують функції, пов’язані з копіюванням і реалізацією генетичної інформації. На частку РНК у організмі хребетних припадає 5–10 % від загальної маси нуклеїнових кислот. Найпоширенішими видами РНК є:

• інформаційна або матрична (мРНК) – включає фрагмент генетичної інформації і транспортує її з ядра у цитоплазму, бере участь у біосинтезі білка;
• рибосомальна (рРНК) – входить до складу рибосом;
• транспортна (тРНК) – бере участь у біосинтезі білка.

 

Вміст РНК у клітині і співвідношення між її окремими видами залежить від інтенсивності поділу і швидкості біосинтезу білка. У клітин з високою метаболічною активністю він вищий, ніж у клітин, які не мають таких властивостей. Але коли клітини активно функціонують, то співвідношення між різними видами РНК визначається їх роллю у метаболічних процесах і приблизно становить:

1. мРНК – 2–5 %;

2. рРНК – 80–85 %;

3. тРНК – 14–16 %.

ПОНЯТТЯ ПРО ГЕНЕТИЧНИЙ КОД

Для синтезу білків в природі використовуються 20 різних амінокислот. Кожен білок є ланцюжком або декількома ланцюжками амінокислот в строго певній послідовності.

Ця послідовність називається первинною структурою білка, що також у значній мірі визначає всю будову білка, а отже і його біологічні властивості. Набір амінокислот також універсальний для переважної більшості живих організмів.
Для кодування 20 амінокислот, а також стоп-сигналу, що означає кінець білкової послідовності, достатньо трьох послідовних нуклеотидів. Набір з трьох нуклеотидів називається кодоном.

Прийняті скорочення, що відповідають амінокислотам і кодонам, зображені на малюнку.

 

ДНК має 2 ланцюги. 1 називається кодуючий або змістовний, саме він містить інформацію про послідовність амінокислот у молекулі білка, з яких він складається. ДНК не може виходити із ядра, а біосинтез відбувається поза ним, у цитоплазмі. Для доставки інформації про послідовність амінокислот здійснює іРНК (мРНК) інформаційна або матрична РНК.

Переписюється інформація із протилежного змістовному ланцюгу (на картинці з низу), який називається матричним. Він є дзеркальним відображенням змістовного, і, в залежності від правила комплементарності, іРНК буде точною копією змістовного. Якби переписування здійснювалося із змістовного безпосередньо, то отримана інформація була би оберненою. Але є одна відмінність. У молекулі РНК відсутній тимін, замість нього виступає урацил. Тому у іРНК ми не зустрічаємо тиміну. Кожні три нуклеотиди у молекулі іРНК називаються кодоном, або триплетом.

ГЕНЕТИЧНИЙ КОД — набір правил розташування нуклеотидів в молекулах нуклеїнових кислот (ДНК і РНК), що надає всім живим організмам можливість кодування амінокислотної послідовності білків за допомогою послідовності нуклеотидів. У ДНК використовується чотири нуклеотиди — аденін (А), гуанін (G), цитозин (С) і тімін (T), які в україномовній літературі також часто позначаються буквами А, Г, Ц і Т відповідно. Ці букви складають «алфавіт» генетичного коду.

У РНК використовуються ті ж нуклеотиди, за винятком тіміну, який замінений схожим нуклеотидом, — урацилом, який позначається буквою U (або У в україномовній літературі). У молекулах ДНК і РНК нуклеотиди складають ланцюжки і, таким чином, інформація закодована у вигляді послідовності генетичних «букв».

Користування таблицею у вигляді кола.

Наприклад, є кодон УАГ, нам слід визначити амінокислоту, що закодована ним.

Починаємо від центру. Амінокислота-ТИР (тирозин)

Властивість генетичного коду

• Триплетність — три послідовно розміщені нуклеотиди кодують одну з 20 амінокислот, які разом утворюють триплет, або кодон. Безперервність — кодони не розділяються між собою, тобто інформація зчитується безперервно. Кожний з кодонів не залежить один від одного і під час біосинтезу зчитується повністю.
• Дискретність — один і той же нуклеотид не може входити одночасно до складу двох або більш кодонів.
• Специфічність — кожний кодон може кодувати лише одну амінокислоту. Завдяки цьому генетичний код не перекривається.
• Виродженість — одна і та ж амінокислота може кодуватися декількома різними кодонами.
• Колінеарність — послідовність кодонів нуклеотидів точно відповідає послідовності амінокислотних залишків у поліпептиді
• Наявність термінальних кодонів — беззмістовних, або стоп-кодонів, які не здатні кодувати амінокислоти. Вони виконують функцію роздільника між двома ланцюгами кодонів та переривають синтез поліпептиду.
• Універсальність — єдиний генетичний код є, практично, однаковим в організмах різного рівня складності — від вірусів до людини

АМІНОКИСЛОТИ

• 1.Гліцин «солодкий» (грец.), названа через її солодкий смак.
• 2 . Аланін назва вибрана, ймовірно, для милозвучності. За іншим тлумаченням, ця амінокислота названа так тому, що її вперше виділили з жовткового мішка, який в ембріології називається «алантоїс».
• 3 . Валін (назва походить від валериановой кислоти, якої валін близький за хімічною будовою.
• 4. Лейцин («Білий » (грец.), названий так тому, що вперше був виділений у вигляді білого кристалічного порошку
• 5 . Ізолейцин ( ізомер лейцину ; ізомерами називають пари речовин , які містять однакову кількість одних і тих же атомів і відрізняються між собою різною послідовністю з’єднання цих атомів в молекулах.
• 6 . Пролін вкорочене похідне від « пірролідін». Атоми в молекулі проліна з’єднані приблизно так само, як в піролідинілі.
• 7.Фенілаланін (молекула аланіна, до якої приєднана група атомів, звана фенільною.
• 8. Тирозин «сир» (грец.), названа так тому, що вперше була отримана з сиру.
• 9 . Тріпотофан ( « трипсин -залежна » ; ця амінокислота названа так тому , що її вперше виявили у фрагментах білків, розщеплених під дією ензиму трипсину.
• 10.Серін «шовк» (лат.), ця амінокислота вперше була виявлена у шовку.
• 11. Треона назву дано тому, що за структурою ця амінокислота схожа з цукром треоза.
• 12. Аспарагін (вперше був виявлений в спаржі [asparagus altilis].
• 13 . Аспарагінова кислота ( за хімічною будовою нагадує аспарагин ; відмінність між цими двома з’єднаннями полягає в тому , що у аспарагінової кислоти в бічному ланцюзі замість амідної групи [CONH] знаходиться карбоксильная група [СООН], яка і повідомляє про її кислі властивості.
• 14. Глютамін (вперше був виявлений в клейковине [gluten (англ.)].
• 15. Глютамінова кислота (відрізняється від глютаміна тим же, чим аспарагінова кислота відрізняється від аспарагіну) .
• 16. Лізин «розриває» (грец.), ця амінокислота була вперше виділена з білка, попередньо розщепленого на кілька субодиниць .
• 17 . Гістидин « тканинний » (грец.) , назву дано тому що ця амінокислота була вперше виділена з тканинних білків).
• 18 . Аргінін ( «срібло» (грец.), назву дано тому, що ця амінокислота була вперше виділена в з’єднанні з атомом срібла).
• 19.Метіонін (бічний ланцюг містить метильную групу, приєднану до атома сірки.
• 20 . Цистин ( «бульбашка» (грец.) , амінокислота була вперше виділена з каменю сечового міхура).

ЗАДАЧІ

В цитоплазмі є тРНК з антикодоном УАГ. Знайдіть комплементарну ДНК та амінокислоту, що закодована.

тРНК комплементарна кодону, якй знаходиться на іРНК. Тобто, якщо антикодон УАГ, то кодон АУЦ (правило комплементарності). Відповідну ділянку ДНК знаходимо по кодону, не забуваємо, що там уже до А комплементарний не ло У, а до Т: кодон АУЦ, ділянка ДНК – ТАГ. Амінокислоту теж знаходимо по дону АУЦ – іле (скорочення ізолейцину).