Нуклеїнові кислоти – складні високомолекулярні біополімери,
мономерами яких є нуклеотиди. Розрізняють
2 типи нуклеїнових кислот:
Дезоксирибонуклеїнову
(ДНК).
Рибонуклеїнову
(РНК).
Крім того, молекули РНК на ба
га то дрібніші (від 75 до кількох тисяч нуклеотидів) і мають одноланцюгову
структуру. Через те, що до складу РНК входить рибоза, у якої на одну гідроксил
ну групу більше, то РНК легше гідролізується і є менш стабільною, ніж ДНК . РНК
може міститися й у вірусах,але розміри цих молекул набагато більші, ніж у клітинах —
20–25 тис. нуклеотидів, при чому РНК вірусів іноді може мати
дволанцюгову структуру. Таким чином, між ДНК і РНК, що
містяться в клітинах організмів, існує три головні відмінності:
1 - ДНК містить дезоксирибозу, РНК — рибозу;
2 -ДНК складається з нуклеотидів аденіну, тиміну, гуаніну, цитозину,
а РНК —
з аденіну, урацилу, гуаніну, цитозину, тобто
тимін заміщений урацилом;
3 - Молекули
ДНК являють собою величезні дволанцюгові молекули, що складаються
з мільйонів нуклеотидів. Молекули ж РНК — одноланцюгові,
набагато коротші і складаються з нуклеотидів, кількість яких
коливається від десятків до тисяч.
Дослідження показали, що у
клітинах всіх живих організмів обов’язково є РНК трьох основних типів і всі
вони беруть участь в одному процесі — біосинтезі білка, здійснюючи ті або інші
його етапи. Близько 90 % РНК перебувають у цитоплазмі, інша части на — в ядрі.
Вміст рибосомальної РНК у
клітині найбільший і становить 75–85 % цієї речовини клітини. Міститься вона у
клітині у вигляді солі Магнію. Насправді рРНК — це не одна молекула, а
сукупність молекул декількох типів з різною кількістю нуклеотидних залишків
(від 1,5–2 до 2,5–4 тисяч).
Синтезується рРНК у чітко
визначених ділянках ядра — ядерцях.
Транспортна РНК (тРНК).
Найменші за розмірами молекули
РНК, що нараховують від 70 до 90 нуклеотидів. Становлять 15 % загальної маси
РНК клітини. Усього ж відомо понад 80 видів тРНК. Призначена тРНК для транспортування амінокислот, задіяних у
біосинтезі певного білка, причому на кожну з 20 амінокислот припадає одна і
більше видів тРНК.
Інформаційна РНК (іРНК), або матрична РНК(мРНК).
Питома вага серед різних типів РНК — 1–5 %. Молекули іРНК
містять від 100 до 6000 залишків нуклеотидів. Синтезується, як і всі інші РНК,
у ядрі, де її концентрація найвища. Має ниткоподібну форму. Молекули іРНК нестійкі й у цитоплазмі швидко
розпадаються. Свою назву іРНК отримала через те, що в ній певним чином
закодована інформація про послідовність амінокислот у білках, і за нею, як за
матрицею, йде біосинтез білків. Зважаючи на те, що кожному виду білка чітко
відповідає свій тип іРНК, то цей тип РНК є найрізноманітнішим. Масштаби цієї
різноманітності можна оцінити, якщо врахувати, що в одній клітині може синтезуватися
близько однієї тисячі білків.
ДНК —
зберігач генетичної інформації. Питання про речовину, з якої побудовані гени, залишалося нез’ясованим
аж до 40/х років ХХ ст. До того вважали, що роль речовини-носія спадковості
відіграють якісь особливі білки, що містяться у ядрі. Адже серед біологічних
молекул саме білки, як ніякі інші, мають різноманітну будову, а тому, як
здається на перший погляд, можуть забезпечити успадкування величезної кількості
ознак і функцій, властивих будь-якому організму. ДНК, як тоді вважалося, не
могла мати до цих механізмів безпосереднього відношення, оскільки її будова
занадто одноманітна, а тому їй було відведено роль зберігача фосфору в клітині.
Перші дослідження, що довели
генетичну значимість ДНК, були проведені на найпростіших організмах — бактеріях
і полягали в обробці безпечних для мишей бактерій розчином ДНК, виділеної з
колоній хвороботворних. У результаті нешкідливі мікроорганізми ставали
патогенними й починали викликати в піддослідних тварин хвороби, які раніше не
були їм властиві. Причому ця новоутворена особливість мікроорганізмів стала
передаватися з покоління в покоління, тобто виявилася спадково закріпленою. Ці
дослідження були проведені в 1944 р. американським вченим О. Ейвері (1877–1956).
Правила Чаргаффа
Дослідження нуклеотидного складу
ДНК різних видів організмів, а також пошук кількісних закономірностей у
співвідношеннях різних нуклеотидів були розпочаті в 1949–1951 рр. групою
дослідників, очолюваних Е. Чаргаффом
(1905–2002), які працювали в США. Вони дозволили виявити правила, подібні до
яких не вдавалося сформулювати для жодного біополімера, у тому числі й для
молекул РНК. Кількісні співвідношення між різними типами нітрогеновмісних основ
у ДНК, встановлені вченими, дістали назву правил Чаргаффа, за якими у молекулах ДНК:
- кількість аденіну дорівнює кількості
тиміну (А = Т),
а кількість
гуаніну — кількості цитозину (Г = Ц);
- кількість пуринів дорівнює кількості
піримідинів:
А + Г = Т + Ц або
(А + Г/Т + Ц = 1);
- кількість основ із шістьма
аміногрупами дорівнює
кількості
основ із шістьма кетогрупами:
А + Ц = Г + Т (А + Ц/Г + Т =
1).
Пізніше, в 1962 р. російський
біохімік А.Н. Бєлозерський (1905–1972) довів, що це співвідношення є
специфічним для різних систематичних груп. Так, ДНК тварин і рослин завжди
містить більше АТ основ, ніж ГЦ, тоді як бактерій можуть бути різноманітні варіанти. Ці
закономірності свідчили про те, що молекули ДНК мають подвійну структуру.
Просторова структура молекули ДНК
- молекула ДНК складається із
двох полінуклеотидних ланцюгів, при цьому кожний з них закручений вправо
навколо однієї й тієї самої осі, утворюючи подвійну спіраль. Діаметр спіралі
ДНК дорівнює 2 · 10–9 м, а
відстань між сусідніми нуклеотидами —
0,34 · 10–9 м. На один виток спіралі припадає
10 нуклеотидів;
- ланцюги ДНК побудовані із
залишків дезоксирибози, сполучених дифосфоетерними містками; ланцюги спрямовані
в різні боки, тобто один ланцюг має 3–5 послідовностей диетерних зв’язків, другий — 5–3;
- полінуклеотидні ланцюги
з’єднані між собою водневими зв’язками, що виникають між нітрогеновмісними основами
різних ланцюгів, розміщених один навпроти іншого. Між
аденіном і тиміном утворюються два водневих зв’язки (А = Т), а між гуаніном
і цитозином — три (Г = Ц). Водневі зв’язки дуже слабкі, але завдяки
багаторазовій повторюваності вони утворюють надміцну структуру, яка водночас є
лабільною, що надає спіралі ДНК можливість легко розкручуватися, а потім знову
швидко
відновлювати дволанцюгову
структуру;
- молекули A/T і Г/Ц, так само як
і дві час тини одного розбитого блюдця, геометрично
доповнюють одна одну. Здатність доповнювати, властива
поверхням деяких хімічних
сполук, називається комплементарністю.
От же, якщо на певній ділянці ланцюга послідовно розташовані нуклеотиди A,
T, Г, Ц, то на його протилежній ділянці, за принципом комплементарності — T, А,
Ц, Г;
Як показали спеціальні
розрахунки, довжина молекули ДНК в клітині людини в нормальному стані становить
близько 8 см. Звідси виникає питання: яким же чином така довга молекула
укладається в клітинне ядро, яке можна розглянути лише під мікроскопом.
Виявляється, в ядрі клітини ДНК містять ся в скрученому стані і на один виток
спіралі може припадати набагато більше, ніж 10 нуклеотидів. Крім того,
перебуваючи у ядрі, ДНК взаємодіє з білками, які мають лужні властивості й утворюють
речовину — хроматин, що в ядрі укладається певним
способом: на зразок того, як намотується нитка
на котушку.
|