Глава 7 характеристика нуклеиновых кислот

Доказательства генетической роли ДНК

Название «нуклеиновые кислоты» происходит от латинского слова «нуклеус», т.е. ядро. Их впервые обнаружил в 1868 году И.Ф. Мишер в ядрах лейкоцитов.

Эксперименты 1940-1950-х гг убедительно доказали, что именно нуклеиновые кислоты (а не белки, как предполагали многие) являются носителями наследственной информации у всех организмов. В этих опытах была раскрыта биологическая природа явлений трансформации и трансдукции, на уровне микроорганизмов, механизмы взаимодействия организмов и клетки.

Трансформация (от лат. transformation – преобразование, изменение) – изменение наследственных свойств бактериальной клетки в результате проникновения в нее чужеродной ДНК. Впервые обнаружена в 1928г Ф. Гриффитсом. Гриффитс обнаружил, что при инъекции мышам одновременно двух штаммов пневмококков (R-штамма, невирулентного, и S-штамма, вирулентного, но убитого нагреванием), через несколько дней они погибали и в их крови были найдены вирулентные пневмококки S-штамма (рис.7.1.).

Э.Т. Эйвери совместно с сотрудниками (1944) установил, что фактором, превращающих непатогенных бактерий в патогенные, являются молекулы ДНК.

С открытием и изучением трансформации выяснилось, что ДНК – материальный носитель наследственной информации. Трансформация возможна и у клеток высших организмов.

Трансдукция (от лат. transductio – перемещение) – перенос бактериофагом фрагментов ДНК из одной бактериальной клетки в другую, что приводит к изменению наследственных свойств клетки. Привнесенная информация в процессе репликации ДНК передаётся в ряду клеточных поколений бактерии.

Явление трансдукции является подтверждением генетической роли ДНК, а также используется для изучения структуры хромосом, строения генов, является одним из методов генной инженерии.

Рис.7. 1.Схематическое изображение эксперимента Гриффитса: а – мышь которой введена культура патогенного инкапсулированого штамма S-пневмококков, погибает; б – мышь, которой введена культура непатогенного бескапсульного R-муанта, не погибает; в – мышь, получившая инъекцию культуры S- штамма, убитого нагреванием, не погибает; г-мышь, получившая при инъекциисмесьживойкультурыR-мутанта и убитой нагреванием культуры S- штамма погибает.

Еще одним доказательством того, что нуклеиновые кислоты, а не белки есть материальным субстратом генетической информации были опыты Х. Френкель-Конрата (1950) с вирусом табачной мозаики (ВТМ).

Схема опытов Х. Френкель-Конрата

Так, с открытием химической природы факторов трансформации и трансдукции у бактерий и механизмов взаимодействия вируса и клетки, была доказана роль нуклеиновых кислот в передаче наследственной информации.

Структура нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты – это полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Нуклеотид включает в себя азотистое основание, углевод пентозу и остаток фосфорной кислоты (рис.7.2.).

Рис.7.2. Структура нуклеотида

Азотистые основания нуклеотидов делятся на два типа: пиримидиновые (состоят из одного 6-членного кольца) и пуриновые (состоят из двух конденсированных 5- и 6-членных колец). Каждый атом углерода колец оснований имеет свой определенный номер, но с индексом штрих (′ ). В нуклеотиде азотистое основание всегда присоединено к первому атому углевода пентозы.

Именно азотистые основания определяют уникальную структуру молекул ДНК и РНК. В нуклеиновых кислотах встречаются 5 основных видов азотистых оснований (пуриновые – аденин и гуанин, пиримидиновые – тимин, цитозин, урацил) и более 50 редких (нетипичных)оснований. Основные азотистые основания обозначаются начальными буквами А, Г, Т, Ц, У. Нуклеотиды называются по содержащихся в них азотистых основаниях(табл. 7.1.).

Таблица 7.1. Типы азотистых оснований, нуклеозидов и нуклеотидов РНК и ДНК

Названия азотистых оснований			Нуклеозиды		Нуклеотиды	Сокращенные обозначения нуклеотидов
Полные	Сокращен-ные на рус. и англ..
РНК
Пуриновые:
Аденин	(А; А)	Аденозин		Адениловая кислота (аденозин-5'-фосфат)			АМФ
Гуанин	(Г; G)	Гуанозин		Гуаниловая кислота (гуанозин-5'-фосфат ')			ГМФ
Пиримидиновые:
Цитозин	(Ц; С)	Цитидин		Цитидиловая кислота (цитидин-5'-фосфат)			ЦМФ
Урацил	(У; U)	Уридин		Уридиловая кислота (уридин-5'-фосфат)			УМФ
ДНК
Пуриновые:
Аденин	(А, А)	Дезокси- аденозин		Дезоксиадениловая кислота (дезоксиаденозин-5-фосфат)			дАМФ
Гуанин	(Г; G)	Дезокси- гуанозин		Дезоксигуаниловая кислота (дезоксигуанозин-5-фосфат)			дГМФ
Пиримидиновые:
Цитозин	(Ц; С)	Дезокси- цитидин		Дезоксицитидиловая кислота (дезоксицитидин-5'-фосфат)			дЦМФ
Тимин	(Т; Т)	Тимидин		Тимидиловая кислота (тимидин-5'-фосфат)			ТМФ

Ф ормирование линейной полинуклеотидной цепочки происходит путем образования фосфодиэфирной связи пентозы одного нуклеотида с фосфатом другого. Пентозофосфатный остов состоит из (5′ -3′ ) связей. Концевой нуклеотид на одном конце цепочки всегда имеет свободную 5′ -группу, на другом - 3′ -группу.

Рис.7.3. Формирование полипептидных цепочек молекул ДНК и РНК

В природе встречаются два вида нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. В прокариотических и эукариотических организмах генетические функции выполняют оба типа нуклеиновых кислот. Вирусы всегда содержат лишь один вид нуклеиновой кислоты.

Основные отличия между ДНК и РНК представлена в таблице 7.2.

Таблиця 7.2.Характеристика нуклеиновых кислот

Характеристика	ДНК	РНК
Структура	двойная спираль	различная для различных РНК
Количество цепей	две	одна
Азотистые основания в нуклеотидах	аденин(А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т)	аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), урацил (У)
Моносахариды в нуклеотидах	дезоксирибоза	рибоза
Способ синтеза	Удвоение по принципу комплементарности. Каждая новая двойная спираль содержит одну старую и одну новую синтезированную цепь	Матричный синтез по принципу комплементарности на одной из цепей ДНК
Функции	Сохранение и передача в ряду поколений генетической информации	Участвует в синтезе белка; м-РНК(матричная) – передает информацию о структуре белка от ДНК к месту его синтеза; р-РНК(рибосомальная) – входит в структуру рибосом, на которых синтезируется белок; т-РНК(транспортная)–транспортирует молекулы аминокислот к рибосомам.

ДНК

азотистое основание:

аденин, гуанин, тимин, цитозин

углевод: дезоксирибоза С₅Н₁₀О₄

остаток фосфорной кислоты

РНК

азотистое основание:

аденин, гуанин, тимин, урацил

углевод: рибоза С₅Н₁₀О₅

остаток фосфорной кислоты