Властивості днк

Молекулярна маса ДНК довгий час не була адекватно визначена, так як при виділенні її довгі молекули зазнавали гідродинамічного розриву. Молярна маса 1000 нуклеотидних пар (типовий розмір гену) становить 660 тис д. Молярна маса ДНК із самої великої хромосоми плодової мушки становить 40 млр: д., а людини приблизно в чотири рази більша

Для ДНК властиве світлопоглинання за рахунок гетероциклів в ультрафіолетовій частині спектру з максимумом біля 260 нм.

Зовнішня поверхня молекули ДНК при рН > 4 несе негативний заряд, завдяки якому утворює комплекси з катіонами металів. Приблизно на 100 нуклеотидних пар припадає один катіон, переважно Mg²⁺. Також ДНК взаємодіє з поліамінами, які несуть позитивний заряд – високомолекулярними білками гістонами і низькомолекулярними, наприклад спермідином: H₂N-(CH₂)₃-NH-CH₂)₄-NH₂. Утворена таким чином оболонка виконує роль екрану, який захищає ДНК від дії оточення.

Незважаючи на це, тисячі різних речовин та фізичні фактори можуть змінювати ДНК. Молекули антибіотиків та інших біологічно активних речовин можуть втручатись між ланками спіралі, деформуючи її. Радіоактивне випромінювання та радикали, які виникають в клітині, можуть уражати азотисті основи, приводячи до їх окиснення та інших модифікацій. В результаті цього порушується комплементарність ланцюгів, що, в свою чергу, може привести до зміни генетичної інформації – мутації. Наприклад, залишки тиміну, що розташовуються поруч у ланцюгу, під дією ультрафіолетового випромінювання легко утворюють тимінові димери:

Такі зміни можуть призвести до злоякісного перетворення клітин шкіри при тривалому перебуванні під сонячним промінням.

Прикладом хімічного мутагену можуть бути нітрити, які у надлишковій кількості попадають в організм при неправильному харчуванні. Вони викликають дезамінування азотистих основ за схемою:

R-NH₂+HNO₂R-OH+N₂+H₂O

Енольна форма дезамінованої основи перетворюється в кетонну і, в результаті, цитозин замінюється на урацил, аденін - на гіпоксантин, а гуанін – на ксантин. Створені міжнародні та національні регістри речовин, які викликають зміни в структурі ДНК. Вони нараховують більше 10 тис. різноманітних речовин, багато з яких є антропогенними забруднювачами.

Зв’язки, які стабілізують вторинну структуру ДНК, є досить слабкими. Їх руйнування приводить до втрати просторової структури молекули – її денатурації. Як правило, денатурацію або плавлення ДНК викликають нагріванням. ДНК плавиться в діапазоні температур 85⁰ - 95⁰. Чим більше в молекулі пар Г-Ц, тим вище температура плавлення, так як зв’язки в них більш чисельні, ніж в парах А-Т. Критеріями денатурації є збільшення світлопоглинання при 260 нм (гіперхромний ефект), зменшення правого обертання, зменшення в’язкості і збільшення густини ДНК.

Повна денатурація молекули ДНК приводить до розходження комплементарних ланцюгів. При швидкому охолодженні розчину денатурованої ДНК ланюги залишаються у відокремленому стані. Але, якщо протягом якогось часу підтримувати температуру дещо нижчою, ніж значення температури плавлення, то нативна структура можу відтворитися. На цій властивісті грунтується метод дослідження гомологічності нуклеїнових кислот з різних джерел шляхом гібридизації. Він застосовується як в науковому дослідження ДНК з різних організмів, так і в криміналістиці.

В дослідах по гібридизації ДНК з двох різних джерел молекули нуклеїнової кислоти з одного джерела розщеплюють (наприклад, з допомогою ультразвуку) на фрагменти довжиною близько 1000 нуклеотидів і піддають денатурації. Денатуровану ДНК з іншого джерела наносять на певний носій, наприклад агаровий гель. Фрагменти денатурованої ДНК змішують з фіксованими ланцюгами ДНК. При цьому фрагменти ДНК, які мають високий ступінь комплементарності, гібридизуються з ланцюгом ДНК і затримуються на носії, тоді як фрагменти, які не мають комплементарних ділянок в цьому ланцюгу, вільно залишають носій. Ступінь гомології виражають кількісно. На його підставі можна, зокрема довести належність певного біологічного матеріалу конкретній людині, або її близьким родичам.

4.3. РНК

Відомо декілька типів РНК, кожний з яких виконує певні функції в реалізації спадкової інформації.

На відміну від ДНК, до складу РНК входить замість тиміну азотиста основа урацил, та пентоза рибоза. В РНК досить високий вміст мінорних азотистих основ Молекулярна маса сильно відрізняється для різних типів РНК, а вміст залежить від функціонального стану клітини. РНК - одноланцюгова молекула.

Основні типи РНК: матрична (інформаційна) - мРНК, транспортна - тРНК, рибосомна - рРНК, ядерна, вірусна.

Матрична РНК або РНК-посередник (мессенджер) - синтезується в ядрі як копія, комплементарна певній ділянці ланцюга ДНК, і виходить з ядра в цитоплазму, де в рибосомах служить матрицею, тобто інформацією для синтезу певного білка. Зрозуміло, що залежно від того, який білок зашифрований в структурі мРНК, їх довжина і хімічний склад сильно змінюються. Їх молекулярна маса становить від 25 тис. до 1 млн д. Кількість копій з певної ділянки ДНК не є постійною і залежить від потреб клітини, тому вміст мРНК в клітині також коливається і становить менше 5% від загального вмісту РНК.

мРНК має специфічну нуклеотидну послідовність. Змістовна частина, тобто інформація про закодований білок, займає центральну частину ланцюга. На кінцях молекули містяться незмістовні, але функціонально важливі ділянки, які зокрема забезпечують узнавання молекули рибосомою, захищають її від ферментативного гідролізу під час перенесення з ядра до рибосоми. Наприклад, на 5^/-кінці молекули міститься так званий “кеп” (шапочка), в якому 7-метилгуаніловий нуклеозид, не фосфорильований по 5^/ положенню з’єднаний із ланцюгом через три фосфатних залишки, а наступний за ним нуклеотидний залишок метильований за 2^/-положенням дезоксирибози: 5^/ 7-метилГ ффф 2^/-метилХ-, де Х – будь-яка азотиста основа.

В загальному первинну структуру мРНК можна представити так:

5^/КЕП - 30-100 нуклеотидів (неінформативний фрагмент) – АУГ - інформативний фрагмент - УГА (УАА) - 100-1000 нуклеотидів - полі А (50 – 400 нуклеотидів) (неінформативний фрагмент) 3^/.

Значну частину клітинної РНК (80% за масою) складає рРНК. Вона поділяється на три групи, які відрізняються за молекулярною масою. Для рибосом еукаріотів вона становить відповідно 35 тис, 550 тис і 1 млн д. рРНК є структурною основою рибосом і виконує в них різноманітні функції, зокрема, забезпечує просторову взаємодію молекул, які беруть участь в біосинтезі білка.

тРНК зв’язує амінокислоти в цитоплазмі і переносить їх в рибосоми, де вибірково включає в синтезований білок. Для кожної із 20 амінокислот є хоча б один вид тРНК. На тРНК припадає 10 – 20% від загального вмісту РНК. Кожен вид тРНК має індивідуальні особливості структури, проте в їх будові можна виділити спільні закономірності. Молекула тРНК нараховує в середньому 75 - 90 нуклеотидних залишків, на 5^/ кінці містить фосфорильований гуаніловий нуклеотид, а на З^/ кінці - послідовність фЦфЦфА-ОН. Отже, загальну структуру тРНК можна зобразити так: 5^/ фГ - 75 – 90 нуклеотидів - фЦфЦфА-OH 3^/. Молекулярна маса тРНК- 30 тис д. Для тРНК характерний досить високий вміст мінорних основ (до 10% від загального вмісту). Поряд з цим, в їх первинній структурі окремі ділянки є комплементарними. Тому ланцюг тРНК складається у вторинну структуру, яка за формою нагадує листок конюшини (рис. 4.4.). Комплементарні ділянки в цій структурі “злипаються”, а некомплементарні, на яких багато мінорних основ, утворюють петлі або “шпильки”. Активована амінокислота зв’язується з 3^/ - кінцем тРНК. Ділянка узнавання матричної РНК, антикодон тРНК, комплементарний кодону мРНК, міститься в антикодоновій петлі. Для цієї петлі також характерна наявність специфічних мінорних основ. Інша петля – псевдоуридилова – містить тимін і нуклеотид, в якому залишок урацилу з’єднаний з рибозою по 5-му атому С (). Ця петля забезпечує зв’язування з рибосомою Крім того в молекулі є дигідроуридилова петля, що містить 5,6-дигідроурацил, і зумовлює зв’язування тРНК в цитоплазмі з ферментом аміноацил-тРНК-синтетазою під час взаємодії з амінокислотою. Вторинна структура тРНК скручується в більш компактну третинну структуру (рис. 4.5.)

Ядерна РНК міститься в ядрі і бере участь в регуляції синтезу мРНК. Деякі віруси містять РНК в якості спадкового матеріалу (РНК-ові віруси). До них належать віруси грипу, СНІДу, тютюнової мозаїки (ВТМ), онкогенні.

Структура РНК піддається розшифровці легше, ніж ДНК, так як молекули її значно коротші і існують у клітині в більшій кількості. Першими були розшифровані повні первинні структури тРНК для аланіна (Р. Холлі та інш., 1965р.) і валіна (О. О. Баєв та інш., 1967р.).

БІЛКИ

Найважливішими біомолекулами є білки. В 1838 р. голландський вчений Мюльдер відобразив їх значення в назві “протеїни” (від грецького "протос" – первинний). На білки припадає не менше 50 % сухої маси клітини. За хімічною будовою білки – це біополімери, які складаються із залишків амінокислот, з’єднаних пептидними зв’язками. Для хімічного складу білків характерний постійний середній вміст нітрогену - біля 16%.

Білки виконують важливі біологічні функції: а) каталітичну - найсуттєвішу, так як переважна більшість перетворень в організмі здійснюється тільки під впливом каталізаторів – ферментів, які є білками; б) структурну - білки у тварин утворюють рогові покриви, є основою сполучення між клітинами (на структурний білок сполучної тканини колаген припадає третина всіх білків організму за масою); в) рухову (скорочувальні білки у всіх живих організмів побудовані і функціонують за спільним принципом, наприклад, актин і міозин у м’язовому волокні); г) транспортну - переносять гази (гемоглобін, міоглобін), залишки жирних кислот (альбумін крові), здійснюють активний транспорт багатьох речовин через мембрану; д) регуляторну - швидкість біохімічних перетворень регулюють зокрема гормони гіпофізу, підшлункової залози, які є білками або похідними амінокислот, нейроолігопептиди забезпечують в головному мозку складні психічні і фізіологічні явища (пептид страху, пам’яті тощо), білки є регуляторами зчитування спадкової інформації з ДНК, рецепторами мембран, які забезпечують трансформацію і передачу в клітину інформації (гормонального сигналу); е) захисну - антитіла, які виробляються у відповідь на появу чужорідних молекул, зв’язують і знешкоджують їх - білки, серед них - інтерферон – єдиний відомий білок, який знешкоджує чужорідну нуклеїнову кислоту; токсини, наприклад бутулізму є захисними молекулами для організму, який їх виділяє; є) енергетичну - при повному окисненні 1 г білка виділяється біля 17 кДж енергії, проте білки не відкладаються про запас, а при їх розщепленні вивільняється токсичний продукт – аміак, на детоксикацію якого витрачається енергія. Половина з амінокислот, які утворюють білки, в організмі людини не синтезується і повинна поступати з їжею, тому використання білків в енергетиці є для організму вимушеним, пов’язаним із незбалансованим вмістом в їжі амінокислот, необхідних для побудови білків.

Таким чином, білки забезпечують більшість життєвих проявів. Найпростішим живим організмом, який здатний реалізувати свою спадкову інформацію, є вірус – комплекс нуклеїнової кислоти і білка (вірус біологи жартома називають кепською новиною у білковому конверті).