Из чего состоит днк

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты являются биополимерами, которые наряду с белками играют важную роль в клетках всех живых организмов. Эти соединения ответственны за хранение, передачу и реализацию наследственной информации. Что такое нуклеотиды? Это мономеры нуклеиновых кислот.

Между частями нуклеотида возникают ковалентные химические связи, которые образуются в результате реакций конденсации. Такие реакции являются обратными гидролизу. Интересным фактом является то, что молекулы ДНК обычно не только длиннее, чем молекулы РНК, но и включают в себя две цепочки, которые соединены друг с другом при помощи водородных связей, возникающих между азотистыми основаниями.

Модифицированные азотистые основания

ДНК и РНК также содержат другие (не первичные) основания, которые были модифицированы после образования цепи нуклеиновой кислоты. В ДНК наиболее распространенным модифицированным основанием является 5-метилцитозин (m 5 C). В РНК есть много модифицированных оснований, в том числе содержащихся в нуклеозидах псевдоуридина (Ψ), дигидроуридина (D), инозина (I) и 7-метилгуанозина (m 7 G).

Гипоксантин и ксантин — два из многих оснований, созданных в результате присутствия мутагена , оба из которых — в результате дезаминирования (замены аминогруппы карбонильной группой). Гипоксантин образуется из аденина, ксантин — из гуанина, а урацил — в результате дезаминирования цитозина.

Модифицированные пуриновые азотистые основания

Это примеры модифицированного аденозина или гуанозина.

Модифицированные пиримидиновые азотистые основания

Это примеры модифицированного цитозина, тимина или уридина.

Нуклеотиды

Нуклеотиды состоят из пентозы (рибозы или дезоксирибозы), остатка фосфорной кислоты и одного из пяти азотистых оснований. Пентозы – это моносахариды с пятью атомами карбона. Азотистые основания – это производные пиримидина — цитозин, урацил, тимин или производные пурина – аденин и гуанин. Нуклеотиды являются фосфорными эфирами нуклеозидов.

Нуклеозиды – это соединения азотистых оснований с рибозой или дезоксирибозой. В природе не встречается нуклеозид, который состоял бы из тимина и рибозы.

В природе более распространены нуклеотиды, фосфорилированные по пятому углеродному атому пентозы. Рибонуклеотиды имеют название в зависимости от азотистого основания: уридиловая (УМФ), гуаниловая (ГМФ), цитидиловая (ЦМФ), адениловая (дАМФ) кислоты.

Дезоксирибонуклеотиды – дизоксиадениловая (дАМФ), дезоксигуаниловая (дГМФ), дезоксиуридиловая (дУМФ), дезоксицитидиловая (дЦМФ), дезокситимидиловая (дТМФ) кислоты.

Наиболее известным соединением является АМФ (аденозинмонофосфорная кислота), которая может присоединять еще два остатка фосфорной кислоты и образовывать АТФ–аденозинтрифосфорную кислоту. Это богатое энергией соединение. При образовании связей между остатками фосфорной кислоты в нуклеотидах накапливается много энергии. При разрыве этой связи выделяется много энергии, значительно больше, чем при разрыве обычной ковалентной связи. Такая связь называется макроэргической (от греч. макрос – большой, эргон – работа) и обозначается ~. Именно макроэргические связи используются для накапливания в нуклеотидах энергии в ходе метаболизма. В молекуле АТФ две макроэргические связи. АТФ гидролитично расщепляется до АДФ (аденозиндифосфорной кислоты) или АМФ с выделением энергии. Восстанавливается из АДФ путем присоединения остатка фосфорной  кислоты, и сопровождается это аккумулированием энергии. Отщепление 1 молекулы фосфорной кислоты сопровождается выделением почти 42 кДж энергии.

Источником энергии для деятельности рибосом – синтеза белка – является также гуанозинтрифосфат.

Нуклеотиды способны соединяться в полинуклеотиды – нуклеиновые кислоты.

Регуляторная РНК

Самыми ранними известными регуляторами экспрессии генов были белки, известные как репрессоры и активаторы — регуляторы со специфическими короткими сайтами связывания в областях энхансеров рядом с регулируемыми генами. Более поздние исследования показали, что РНК также регулируют гены. Существует несколько видов РНК-зависимых процессов в эукариотах, регулирующих экспрессию генов в различных точках, таких как гены, репрессирующие РНКи, посттранскрипционно , длинные некодирующие РНК , блокирующие эпигенетические блоки хроматина , и энхансерные РНК, индуцирующие повышенную экспрессию генов. Также было показано, что бактерии и археи используют системы регуляторных РНК, такие как бактериальные малые РНК и CRISPR . Файер и Мелло были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине 2006 года за открытие микроРНК (миРНК), специфических коротких молекул РНК, которые могут образовывать пары оснований с мРНК.

РНК-интерференция миРНК

Уровни посттранскрипционной экспрессии многих генов можно контролировать с помощью РНК-интерференции , при которой миРНК , специфические короткие молекулы РНК, соединяются с участками мРНК и нацелены на них для деградации. Этот основанный на антисмысловой основе процесс включает этапы, на которых сначала обрабатывается РНК, чтобы она могла образовывать пару оснований с областью ее мРНК-мишени. Как только происходит спаривание оснований, другие белки направляют мРНК на разрушение нуклеазами .

Длинные некодирующие РНК

Затем с регуляцией были связаны Xist и другие длинные некодирующие РНК, связанные с инактивацией Х-хромосомы . Их роль, поначалу загадочная, как было показано Джинни Т. Ли и другими , заключалась в подавлении блоков хроматина за счет рекрутирования комплекса Polycomb, так что информационная РНК не могла быть транскрибирована с них. Дополнительные днРНК, в настоящее время определяемые как РНК из более чем 200 пар оснований, которые, по-видимому, не обладают кодирующим потенциалом, были обнаружены связанными с регуляцией плюрипотентности стволовых клеток и клеточного деления .

Энхансерные РНК

Третья основная группа регуляторных РНК называется энхансерными РНК . В настоящее время неясно, являются ли они уникальной категорией РНК различной длины или представляют собой отдельное подмножество lncRNAs. В любом случае они транскрибируются с энхансеров , которые представляют собой известные регуляторные сайты в ДНК рядом с регулируемыми ими генами. Они активируют транскрипцию гена (ов) под контролем энхансера, с которого они транскрибируются.

Регуляторная РНК у прокариот

Сначала считалось, что регуляторная РНК является эукариотическим феноменом, частью объяснения того, почему у высших организмов было обнаружено гораздо больше транскрипции, чем предполагалось. Но как только исследователи начали искать возможные регуляторы РНК в бактериях, они обнаружили и там, что называется малая РНК (мРНК). В настоящее время в поддержку теории Мира РНК обсуждается повсеместная природа систем регуляции РНК генов . Бактериальные малые РНК обычно действуют посредством антисмыслового спаривания с мРНК, подавляя ее трансляцию, либо влияя на стабильность, либо влияя на цис-связывающую способность. Также были обнаружены рибовключатели . Это цис-действующие регуляторные последовательности РНК, действующие аллостерически . Они меняют форму, когда связывают метаболиты, так что они приобретают или теряют способность связывать хроматин для регулирования экспрессии генов.

У архей также есть системы регуляторных РНК. Система CRISPR, которая недавно использовалась для редактирования ДНК in situ , действует через регуляторные РНК у архей и бактерий, обеспечивая защиту от вирусных захватчиков.

Состав

Показано расположение нуклеотидов в структуре нуклеиновых кислот: внизу слева — монофосфатный нуклеотид; его азотистое основание представляет одну сторону пары оснований. В правом верхнем углу четыре нуклеотида образуют две пары оснований: тимин и аденин (соединенные двойными водородными связями) и гуанин и цитозин (соединенные тройными водородными связями). Отдельные нуклеотидные мономеры связаны цепями на своих молекулах сахара и фосфата, образуя два «остова» ( двойную спираль ) нуклеиновой кислоты, показанные в верхнем левом углу.

Нуклео прилив состоит из трех отличительных химических субъединиц: молекулы сахара пять углерода, Нуклеиновое -The два из которых вместе называются Núcleo стороны -and одну фосфатной группы . С всеми три присоединился, нуклеотидный также называют «Nucleo бокового моно фосфат», «нуклеозид — ди — фосфат» или «нуклеозид три фосфатом», в зависимости от того , сколько фосфатов составляют группу фосфата.

В нуклеиновых кислотах нуклеотиды содержат пуриновое или пиримидиновое основание, то есть молекулу азотистого основания, также известную как азотистое основание, и называются рибонуклеотидами, если сахар представляет собой рибозу, или дезоксирибонуклеотидами, если сахар представляет собой дезоксирибозу. Отдельные молекулы фосфата повторно соединяют молекулы сахарного кольца в двух соседних нуклеотидных мономерах, таким образом соединяя нуклеотидные мономеры нуклеиновой кислоты от конца к концу в длинную цепь. Эти цепные соединения молекул сахара и фосфата создают «основу» для одинарной или двойной спирали . В любой одной цепи химическая ориентация ( направленность ) цепных соединений проходит от к ( читай : 5 простых концов к 3 простым концам), имея в виду пять углеродных сайтов на молекулы сахара в соседних нуклеотидах

В двойной спирали две нити ориентированы в противоположных направлениях, что позволяет создавать пары оснований и комплементарность между парами оснований, что важно для репликации или транскрипции кодированной информации, обнаруженной в ДНК.

Тогда нуклеиновые кислоты представляют собой полимерные макромолекулы, собранные из нуклеотидов, мономерных единиц нуклеиновых кислот . Пуриновые основания аденин и гуанин и цитозин пиримидинового основания встречаются как в ДНК, так и в РНК, в то время как пиримидиновые основания тимин (в ДНК) и урацил (в РНК) встречаются только в одном. Аденин образует пару оснований с тимином с двумя водородными связями, тогда как пары гуанина с цитозином с тремя водородными связями.

Помимо того, что они являются строительными блоками для создания полимеров нуклеиновых кислот, единичные нуклеотиды играют роль в хранении и обеспечении клеточной энергии, передаче клеточных сигналов, в качестве источника фосфатных групп, используемых для модуляции активности белков и других сигнальных молекул, а также в качестве ферментных кофакторов. , часто проводя окислительно-восстановительные реакции. Сигнальные циклические нуклеотиды образуются путем двойного связывания фосфатной группы с одной и той же молекулой сахара, соединяя 5′- и 3′- гидроксильные группы сахара. Некоторые сигнальные нуклеотиды отличаются от стандартной конфигурации однофосфатных групп тем, что имеют несколько фосфатных групп, прикрепленных к разным положениям на сахаре. Нуклеотидные кофакторы включают более широкий спектр химических групп, связанных с сахаром через гликозидную связь , включая никотинамид и флавин , и в последнем случае сахар рибозы является линейным, а не образующим кольцо, наблюдаемое в других нуклеотидах.

Структурные элементы три нуклео приливы -где одно-, двух- или трех-фосфаты прикреплены к ядерна стороне (в желтом, синем, зеленый) в центре: 1, нуклеотидные называют как нуклеозид моно- фосфата формируются путем добавления фосфата (в красном); Второй, добавление второго фосфата образует нуклеозид — ди — фосфат ; Третий, добавив результаты третьего фосфата в нуклеозиде три- фосфата . + Азотистое основание (азотистое основание ) обозначается как «Основание» и « гликозидная связь » (сахарная связь). Все пять основных или канонических оснований — и — показаны справа (синим цветом).

Примеры нуклеотидов, не являющихся нуклеиновыми кислотами

Наследственные болезни

Генетический код это очень многофункциональная и противоречивая структура. С одной стороны он должен хранить информацию в неизменном эталонном виде, и эта функция проявляется возможностью ДНК восстанавливать искусственные повреждения в следующем поколении. С другой же стороны, геном может быть либо поврежден, либо измениться сам, что называют мутацией.

Мутации естественное свойство генов, и последствия этих мутация бывают, как отрицательные, так и положительные. Хоть мутации и называют поломками, но это определение спорно. Некоторые мутации в чём-то ослабляют организм – именно эти мутации и ищут во время тестирования на непереносимость пищевых продуктов.

Такие мутации создают повышенные риски возникновения, какого либо заболевания при соблюдении некоторых факторов. Соответственно, если исключить эти факторы из своей жизни, то с ними будут исключены и вероятности возникновения заболевания.

Строение ДНК

ДНК – это линейный органический полимер. Его мономерные звенья – нуклеотиды, которые, в свою очередь, состоят из:

• азотистого основания;
• пятиуглеродного сахара (пентозы);

• фосфатной группы (рисунок 1).

При этом,  фосфатная группа присоединена к 5′-атому углерода моносахаридного остатка,  а  органическое основание — к 1′-атому.

Основания в ДНК бывают двух типов:

• Пуриновые: аденин ( А ) и гуанин (G);

• Пиримидиновые: цитозин (С) и тимин (Т);(рисунок 2),

Строение нуклеотидов в молекуле ДНК

В ДНК моносахарид представлен  2′-дезоксирибозой, содержащей только 1 гидроксильную группу (ОН),  а  в РНК — рибозой, имеющей 2 гидроксильные группы (OH).

Нуклеотиды соединены друг с другом фосфодиэфирными связями, при этом фосфатная группа 5′-углеродного атома одного нуклеотида связана с З’-ОН-группой дезоксирибозы соседнего нуклеотида (рисунок 1). На одном конце полинуклеотидной цепи находится З’-ОН-группа (З’-конец),  а  на другом — 5′-фосфатная группа (5′-конец).

Уровни структуры ДНК

Принято выделять 3 уровня структуры ДНК:

• первичную;
• вторичную;
• третичную.

Первичная структура  ДНК – это последовательность расположения нуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК.

Вторичная структура ДНК стабилизируется  водородными связями между комплементарными парами оснований и представляет собой двойную спираль из двух антипараллелных цепочек,  закрученных вправо вокруг одной оси.

Общий виток спирали- 3,4нм, расстояние между цепочками 2нм.

Третичная структура ДНК – суперсперализация ДНК. Двойная спираль ДНК на некоторых участках может подвергаться дальнейшей спирализации с образованием суперспирали или открытой кольцевой формы, что часто вызвано ковалентным соединением их открытых концов. Суперспиральная структура ДНК обеспечивает экономную упаковку очень длинной молекулы ДНК в хромосоме. Так, в вытянутой форме длина молекулы ДНК составляет  8 см,  а в форме суперспирали укладывается в 5 нм.

 Правило Чаргаффа

Правило Э. Чаргаффа – это закономерность количественного содержания азотистых оснований в молекуле ДНК:

1. У ДНК молярные доли пуриновых и пиримидиновых оснований равны: А+ G = C + Т  или (А + G)/(C + Т)=1.
2. В ДНК количество оснований с аминогруппами (А +C) равно количеству оснований с кетогруппами (G + Т):  А +C= G + Т или (А +C)/(G + Т)= 1
3. Правило эквивалентности, то есть : А=Т, Г=Ц; А/Т = 1;  Г/Ц=1.
4. Нуклеотидный состав ДНК у организмов различных групп специфичен и характеризуется коэффициентом специфичности: (Г+Ц)/(А+Т). У высших растений и животных коэффициент специфичности меньше 1, и колеблется незначительно: от 0,54 до 0,98, у микроорганизмов он больше 1.

Самодополняемость и шпильки

Последовательность РНК, имеющая внутреннюю комплементарность, в результате чего она сворачивается в шпильку.

Само-комплементарность относится к тому факту, что последовательность ДНК или РНК может складываться сама по себе, создавая структуру, подобную двунитевой. В зависимости от того, насколько близко друг к другу находятся части последовательности, которые дополняют друг друга, нить может образовывать петли шпильки, соединения, выпуклости или внутренние петли. РНК с большей вероятностью будет образовывать такие структуры из-за связывания пар оснований, не наблюдаемого в ДНК, например связывания гуанина с урацилом.

Последовательность РНК, показывающая шпильки (крайний правый и крайний верхний левый) и внутренние петли (нижняя левая структура)

Комплементарность пар оснований ДНК и РНК

Комплементарность между двумя антипараллельными цепями ДНК. Верхняя прядь идет слева направо, а нижняя прядь идет справа налево, выравнивая их.

Слева: в нуклеотидных пар оснований , которые могут образовывать в двухцепочечной ДНК . Между A и T есть две водородные связи, а между C и G — три. Справа: две комплементарные цепи ДНК.

Комплементарность достигается за счет четких взаимодействий между азотистыми основаниями : аденином , тимином ( урацил в РНК ), гуанином и цитозином . Аденин и гуанин — пурины , а тимин, цитозин и урацил — пиримидины . Пурины крупнее пиримидинов. Оба типа молекул дополняют друг друга и могут образовывать пары оснований только с противоположным типом азотистых оснований. В нуклеиновой кислоте нуклеиновые основания удерживаются вместе водородными связями , которые эффективно работают только между аденином и тимином и между гуанином и цитозином. Комплемент оснований A = T имеет две водородные связи, в то время как пара оснований G C имеет три водородные связи. Все другие конфигурации между азотистыми основаниями препятствовали бы образованию двойной спирали. Нити ДНК ориентированы в противоположных направлениях, они считаются антипараллельными .

Комплементарная цепь ДНК или РНК может быть сконструирована на основе комплементарности азотистых оснований. Каждая пара оснований, A = T по сравнению с G ≡ C, занимает примерно одно и то же пространство, что позволяет формировать скрученную двойную спираль ДНК без каких-либо пространственных искажений. Водородная связь между азотистыми основаниями также стабилизирует двойную спираль ДНК.

Комплементарность цепей ДНК в двойной спирали позволяет использовать одну цепочку в качестве матрицы для построения другой. Этот принцип играет важную роль в репликации ДНК , закладывая основы наследственности , объясняя, как генетическая информация может быть передана следующему поколению. Комплементарность также используется в транскрипции ДНК , которая генерирует цепь РНК из матрицы ДНК. Кроме того, вирус иммунодефицита человека , одноцепочечный РНК-вирус , кодирует РНК-зависимую ДНК-полимеразу ( обратную транскриптазу ), которая использует комплементарность для катализа репликации генома. Обратная транскриптаза может переключаться между двумя родительскими геномами РНК путем рекомбинации с выбором копии во время репликации.

Механизмы репарации ДНК, такие как контрольное считывание , основаны на комплементарности и позволяют исправлять ошибки во время репликации ДНК путем удаления несовпадающих нуклеотидных оснований. В целом, повреждения в одной нити ДНК , могут быть устранены путем удаления поврежденного участка и его замены с использованием комплементарность , чтобы скопировать информацию из другой цепи, как это имеет место в процессах ремонта рассогласования , нуклеотидной эксцизионной репарации и базовой эксцизионной репарации .

Нити нуклеиновых кислот могут также образовывать в которых одноцепочечная ДНК может легко отжигаться с комплементарной ДНК или РНК. Этот принцип лежит в основе широко используемых лабораторных методов, таких как полимеразная цепная реакция , ПЦР.

Две цепи комплементарной последовательности называются смысловой и антисмысловой . Смысловая цепь, как правило, представляет собой транскрибируемую последовательность ДНК или РНК, которая была образована при транскрипции, в то время как антисмысловая цепь представляет собой цепь, комплементарную смысловой последовательности.

Нуклеиновые кислоты.

20 ноября, 2009

Нуклеиновые кислоты (НК) – высокомолекулярные линейные гетерополимеры, мономерами которых являются мононуклеотиды, соединенные между собой 3′,5′-фосфодиэфирной связью.

Нуклеотид состоит из:

• азотистого основания (пуринового или пиримидинового),
• углеводного компонента (пентозы – рибозы или дезоксирибозы),
• остатка фосфорной кислоты (от  1 до 3).

В зависимости от типа пентозы НК подразделяются на ДНК или РНК. Название кислот «нуклеиновые»: от слова «nucleus» – ядро. НК находятся в цитозоле, ядре и митохондриях у эукариотов и в хлоро-пластах в растительных клетках.

Химический состав НК и нуклеотидов

• В условиях  мягкого щелочного гидролиза НК распадаются до нуклеотидов.
• При нагревании до 145оС в водном аммиаке – до нуклеозидов.
• В результате кислотного гидролиза – до азотистых оснований и пентоз.

Общая характеристика азотистых оснований:

—  по строению подразделяются на пуриновые и пиримидиновые;

— по распространению и степени встречаемости – мажорные (основные, преобладающие) и минорные (редко встречающиеся). Из пуриновых преобладают аденин (А) и гуанин (Г), из пиримидиновых – цитозин (Ц) и урацил (У) в РНК и цитозин (Ц) и тимин (Т) – в ДНК. Для всех азотистых оснований характерна лактим-лактамная таутомерия.

А) Мажорные  пуриновые основания:

аденин              гуанин (лактимная форма)     гуанин (лактамная форма)

Б) Мажорные пиримидиновые:

урацил  (лактим-лактамные формы)          цитозин (лактим-лактамные формы)

тимин (лактим-лактамные формы)

В) Минорные азотистые основания. Как правило, они по строению являются производными мажорных или могут быть нетипичными для данной кислоты. Например, в РНК обычно нет тимина, он входит в состав ДНК, но в одной из петель тРНК обнаруживают тимин.

Минорные азотистые основания могут быть продуктами реакций:

• восстановления (например, дигидроурацил, входит в состав D-петли тРНК),
• метилирования (метилирование может происходить у атомов, входящих:

— в циклическую структуру пурина или пиримидина (например, 7-метилгуанин),

— его заместителей (чаще по атомам водорода аминогруппы),

— реже по гидроксильным группам углеводного компонента.

нетипичного соединения (например, псевдоуридиловая кислота, в тРНК).

Биологическая роль минорных азотистых оснований:

• необходимы для формирования вторичной структуры НК (например, формирования петель в тРНК),
• выполняют защитную функцию (например, метилированные участки в мРНК),
• метилированные участки могут выполнять роль маркеров, по которым  специальные регуляторные белки распознают участки повреждения в ДНК, участки начала матричных синтезов,
• метилирование используется также для распознавания вновь синтезированной ДНК и родительской (во время деления клетки и синтеза ДНК).

Углеводные компоненты НК:

b-D-рибоза в РНК                          b-D-дезоксирибоза в ДНК

Нумерация атомов в углеводе обозначается цифрой со штрихом (например, третий атом углерода 3′).

Соединяется углеводный компонент с пуриновыми азотистыми основаниями 9,1′-N-гликозидной связью, с пиримидиновыми – 1,1′-N-гликозидной связью.

Остаток  фосфорной кислоты (1, 2 или 3)  может находиться у 3′-, 5′-атома пентозы, реже у 2′-го.

Структурная организация нуклеиновых кислот

Первичная структура – определенная последовательность нуклеотидов в цепи. Образована фосфодиэфирными связями. Начало цепи – 5′-конец (на его конце фосфатный остаток), конец, завершение цепи,  обозначается как 3′(ОН)-конец.

Как правило, в образовании самой цепи азотистые основания не участвуют, но водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями играют важную роль в формировании вторичной структуры НК:

• между аденином и урацилом в РНК или аденином и тимином в ДНК образуются 2 водородные связи,
• между гуанином и цитозином –  3.

Для НК характерна линейная, а не разветвленная структура. Кроме первичной и вторичной структуры для большинства НК характерна третичная структура – например, ДНК, тРНК и рРНК.

Связывание нуклеотидов

Для создания цепей полимера (или нескольких единиц), которые приводят к образованию РНК и ДНК, нуклеотиды соединяются друг с другом через сахарофосфатный скелет, который образуется, когда фосфат одного нуклеотида присоединяется к сахару другого. Это возможно благодаря сильным ковалентным связям, называемым фосфодиэфирными связями.

Поскольку ДНК представляет собой двухцепочечную молекулу, две из этих полимерных цепей должны присоединяться друг к другу, как лестница. «Ступеньки» состоят из пар нуклеотидов, которые соединяют две стороны лестницы с помощью водородных связей. Что такое нуклеотид? Это структурная единица ДНК, которая состоит из азотистого основания и сахар-фосфатной основной цепи, состоящей из фосфатной группы и сахара. ДНК состоит из многих нуклеотидов, которые содержат и защищают генетические коды организма.