Молекулярна биология - нуклеинови киселини

ЛЕКЦИЯ НА ТЕМА:
НУКЛЕИНОВИ КИСЕЛИНИ
Д-р Цветослав Койнарски DVM, MSc, PhD
МОЛЕКУЛЯРНА
БИОЛОГИЯ

•Белтъците са най-застъпените органични съединения в живите
организми. Всеки организъм се отличава със специфичността на
белтъчините които го изграждат. Многообразието им по отношение на
пространствена структура и функциите на белтъците до голяма степен
се дължат на друга група органични съединения –нуклеиновите
киселини. За да се предават характерните белези за един вид от
поколение на поколение е нужно наследствената информация да се
предава с изключително голяма прецизност. Първоначално се е
предполагало, че материален носител на наследствеността са
белтъците, тъй като те са основните градивни елементи на клетките.
Голям принос за изясняване на материалния носител на
наследствеността имат изследванията на екипа на Ейвъри Маклеод и
Мак Картни в периода 1940 –1944 година. Тези изследователи за първи
път доказват генетичната роля на откритите от Франсис Мишер
нуклеинови киселини (nucleus –едро, т.е. съдържащи се в ядрото). За да
бъде едно вещество носител на наследствената информация, то трябва
да отговаря на следните три условия:
•Молекулният му строеж трябва да позволява изключително
прецизно презаписване съхранение на наследствената програма.
•Количеството му в клетките трябва да бъде постоянно.
•Да може да се самовъзпроизвежда и новите копия да се предават
по равно в дъщерните клетки.
Молекулни основи на наследствеността

Единствените вещества които отговарят едновременно на тези три
условия в позната ни жива природа са именно нуклеиновите киселини
(НК). Те са изключително важни за всички живи организми на планетата
Земя(с изключение на прионите), защото те съхраняват и предават
генетичната информация. По същество наследствената информация
е кодът отговорен за структурата и функциите на белтъчините,
синтезиращи се в клетката. Една част от НК носят програмата, по която
се синтезират белтъците, т.е. съхраняват генетичната програма и чрез
клетъчното деления осигуряват предаването й в поколенията, а друга
част взема пряко участие в белтъчния синтез, т.е. осигурява
реализирането на информацията . В зависимост от монозахаридният
остатък в молекулата им, нуклеиновите киселини се делят на два
основни вида –Рибонуклеинова киселина (РНК) и
Дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК). Поради по -стабилната си
структура, при повечето познати организми носителна
наследствеността е молекулата на ДНК, а функциите на РНК са
свързани с пренасянетона генетичната програма до рибозомите,
където се синтезират специфичните за клетката белтъчини. Можем да
обобщим, че молекулата на ДНК е носител на наследствената
програма, а РНК отговаря за нейното изпълнение . Съществуват и
организми (вируси) при които носител на наследствеността е
молекулата на РНК, но при тях жизнените процеси са далеч по-
примитивни в сравнение с еукариотите и прокариотите.
КОЙ ИЗПЪЛНЯВА ТЕЗИ УСЛОВИЯ?

Ваимоотношеният между белтъците и нуклеиновите киселини в
клетката са изключително сложни. От една страна
нуклеиновите киселини носят наследствената информация за
строежа на белтъчините и я пренасят до специфични
структури (рибозомите), които отговарят за тяхната синтеза.
От друга страна белтъчините отговарят за реализацията на
генетичната програма и всички матрични процеси в клетката
са под контрола белтъчините. По този начин се получава обща
саморегулираща се система , съставена от две
информационни макромолекули. От една страна
нуклеиновите киселини са изключително устойчиви молекули,
което гарантира предаването на наследственстта в
поколенията, но от друга те притежават пластичност
(изменчивост)под влияние на факторите на околната среда,
което е основна предпоставка за еволюцията и
приспособимостта на организмите към променящите се
условия на външната среда.
Ваимоотношения между белтъците и
нуклеиновите киселини

Веригите на нуклеиновите киселини са дълги, неразклонени,
апериодични хетеробиополимери . Дължината им е значително по-
голяма от тази на белтъците. Те са изградени от мономери (наречени
нуклеотиди), чието подреждане е строго специвично за всеки вид.
Всеки нуклеутид е съставен от три компонента :
•Монозахарид –рибоза за РНК и дезоксирибоза за ДНК. В
молекулата на нуклеотидите монозахаридният остатък винаги е с 5
въглеродни атома –пентозаи присъства в цикличната си форма.
•Фосфатна група -Фосфатните остатъци придават киселинни
свойства на НК. Отрицателните им заряди правят НК
реактивоспособни и те лесно се свързват с белтъци, в които
преобладават положителни заради, образувайки нуклеопротеиден
комплекс. Азотните атоми в състава на базите прибават макар и
слаби основни свойства на НК.
•Азотна база -хетероциклени съединения, съдържат освен
въглеродни и азотни атоми. Те имат плоска пръстенна структура .
Според химичния си строеж биват два вида : пуринови и
пиримидинови. Пуриновите имат два пръстена (големи бази), а
пиримидиновите –един (малки бази).
Структура на нуклеиновите киселини

•Азотната база и пентозата се свързват по между си чрез N -гликозидна
ковалентна връзка при първия въглероден атом на пентозата . Получената
структура носи името нуклеозид. Към него могат да се присъединяват от един
до три фосфатни остатъка , като се получават съответно нуклеозидмони -, ди-и
трифосфат. Връзката между пентозата и фосфата при 5’ въглеродния атом е
ковалентна естерна. Нуклеутидите в молекулата на ДНК са Аденин, Тимин,
Гуанин и Цитозин , като базите Аденин и Гуанин са пуринови и се обозначават
като „големи“, Тимин и Цитозин са пиримидинови, „малки“ бази. Молекулата на
РНК има същите бази, като азотната база Тимин е заменена с Урацил.
•Нуклеотиди се свързват помежду си в полинуклеотидни вериги (ПНВ). Това става
като пентозите на два съседни нуклеотида се свържат по между си чрез
фосфатния остатък със здрава ковалентна връзка . Тази връзка се изгражда
между хидроксилната група при третия въглероден атом на пентозата на
единият нуклеотид и фосфата при петия въглероден атом на другият нуклеотид .
Връзката се означава като 3’-5’ фосфодиестерна . При синтезата на нова
полинуклеотидна верига, образуването на химичните връзки между отделните
нуклотиди (по описаният начин) се отделя молекула вода.
•Свързаните по този начин един след друг нуклеотиди образуват полинуклеотидна
верига (полинуклеотид) и изграждат захарофосфатният скелет на нуклеиновите
киселини. Двата края на полинуклеотида се различават по между си, което
определя полярността и насочеността на молекулата. За начало (5’) се приема
краят в който е локализиран фосфатният остатък, а за край (3’) на
полинуклеотида се счита участъкът в който е хидроксилната група .
Нуклеотидната последователност се записва в посока от 5’ към 3’ края на
веригата, като всеки нуклеотид се записва с по една главна буква –Аденин (А),
Гуанин (Г), Тимин (Т), Цитозин (Ц) и Урацил (У). Посоката на прочитане на
нуклеотидната последователност е от съществено значение за правилното
прочитане на кодираната генетична програма.
Структура на нуклеиновите киселини

Пуринови и пиримидиновибази

Пуринови и пиримидиновибази

•Аденинъте бяла кристална пуринова база с молекулна
формула C5H3N4NH2. Освен при образуването на
нуклеиновите киселини, характерно за него е
участиено му в структурата на аденозинтрифосфата ,
където спомага за функциите на клетъчното дишане. В
молекулата на ДНК Аденинът се свързва с нуклеотидът
Тимин, а в молекулата на РНК с нуклеотидът Урацил.
Водородните връзкикоито се изграждат между
описаните бази са двойни.
•Гуанинъте производно на пурин съединение, изградено
чрез свързването на пиримидинов и имидазолов
пръстен. Химичното наименование на Гуанина е 2 -
амино-6-хидроксипурин, а молекулната му маса е
151,13 g/mol. Молекулната формула на Гуанина е
C5H5N5O, като поради своята ненаситеност,
молекулата на този нуклеотид е плоска . При
образуването на нуклеотидните двойки в молекулата на
ДНК, Гуанинът винаги се свързва с Цитозин посредством
три водородни връзки.
Пуриновибази

•Тиминътспада към пиримидиновите азотни бази и е познат под
името 5-метилурацил. От химична гледна точка, тиминът е
производно съединение на петият въглероден атом на урацила след
метилация. Във веригите на ДНК Тиминът комплементира с Аденин,
като изградените водородни връзки са двойни. В молекулата на РНК
този нуклеотид е заменен с нуклеотида Урацил.
•Цитозинъте хетероциклено ароматно съединение производно на
пиримидина. Химичната му формула е C4H5N3O, а молекулната му
маса -111.10 g/mol. Освен Цитозин, нуклеотидът може да бъде
срещнат и под името 4-амино-1H-пиримидин-2-он. В молекулите на
ДНК и РНК Цитозинът комплементира с нуклеотида Гуанин, като
водородните връзки които се изграждат са тройни .
•Урацилъте производно на пиримидина химично съединение, което
замества нуклеотида Тимин в молекулата на РНК. Химичната му
формула е C4H4N2O2, а молекулната му маса -112,09 g/mol. Освен
Урацил, нуклеотидът може да бъде срещнат и под името Пиримидин -
2,4(1H,3H)-дион. В молекулата на РНК Урацилът комплементира с
нуклеотида Аденин, като водородните връзки които се изграждат са
двойни.
Пиримидиновибази

•При повечето живи организми наследствената
информация се съхранява в молекули ДНК, а РНК
молекулите пренасят тази информация до рибозомите,
които от своя страна произвеждат специфичните
белтъчини за всяка отделна клетка. Изключение от това
правило правят някои вируси при които наследствената
информация се съхранява в РНК молекули и прионите,
които са все още не добре проучени, но се предполага,
че тяхната наследственост се кодира в белтъчни
молекули.
•След изясняване механизма на клетъчно делене и
доказването, че основен компонент на хромозомите са
веригите на ДНК, се установи че основен материален
носител на наследствеността е двойноверижната ДНК
молекула.
Основна задача на нуклеиновите киселини

•Използвайки информацията получена от рентгенолозите Розалинд
Франклин и Морис Уилкинс, през пролетта на 1953 година Джеймс
Уотсън и Франсис Крик построяват модел на пространствената
структура на молекулата на ДНК. Розалинд Франклин и Морис
Уилкинс през 1952 г. установяват, че ДНК има формата на спирала с
диаметър 2 nm. Разстоянието между два съседни оборота е 3.4 nm, а
между две съседни нуклеотидни бази –0.34 nm; в един оборот на
спиралата се съдържат 10 бази . Плътността на ДНК показва, че
спиралата съдържа две полинуклеотидни вериги . Диаметърът е