Вторинна структура НК

Вторинну структуру ДНК з’ясували у 1953 році Джемс Дью Уотсон і Френсіс Крік. Цеправозакручена, двониткова спіраль з діаметром близько 2 нм і кроком, або повним обертом 3,4 нм, який включає 10 пар нуклеотидів (кожний нуклеотид має розмір 0,34 нм).

Азотисті основи обох ниток орієнтовані у напрямку до середини спіралі, причому аденін однієї нитки завжди знаходиться навпроти тиміну другої нитки, а гуанін однієї нитки – навпроти цитозину другої.

У кожній з цих пар основи з’єднані одна з одною водневими зв’язками: два зв’язки між аденіном і виміном і три між гуаніном цитозином.

У рідких випадках молекули ДНК не дво-, а однониткові, які бувають або лінійними, або замкнутими в кільце, зазвичай перекручене. Такі кільцеві молекули ДНК характерні для хромосом і плазмід бактерій, деяких ДНК-утримуючих вірусів, мітохондрій, пластид, кінетопластів.

Схема просторової моделі молекули ДНК за Уотсоном і Кріком: модель схожа на мотузкову гвинтову драбину, яка закручується у вигляді спіралі, а щаблі при цьому зберігають горизонтальне положення. Дві поздовжні мотузки відповідають ланцюгам із залишків вуглеводу та фосфорної кислоти, а щаблі – парам азотистих основ, з’єднаних водневими зв’язками.

Комплементарність азотистих основ: порядок чергування нуклеотидів в обох нитках ДНК взаємообумовлений, а дві нитки спіралі розміщені антипаралельно

Схема водневих зв’язків між комплементарними азотистими основами:аденін не може утворювати водневих зв’язків з гуаніном, тому що дві ці молекули мають відносно великі розміри, і, будучи з’єднані одна з одною, вони не могли б одночасно залишатися частинами відповідних спіралей через обмеженість простору. Тимін і цитозин не можуть бути зв’язані один з одним і разом з тим входити у склад спіральних ланцюгів, тому що відстань між ними при цьому була б дуже великою для утворення водневих зв’язків.

Підтвердження особливостей вторинної структури ДНК є правила Е. Чаргафа:

1. У одній дволанцюговій молекулі ДНК су­ма пуринових основ (аденін+гуанін) дорівнює сумі піримідинових (тимін + цитозин): А+Г = Т+Ц.

2. У одній дволанцюговій молекулі ДНК кількість аденіну дорівнює кіль­кості тиміну, а кількість гуаніну – кількості цитозину: Т=Г, А=Ц.

3. Співвідношення аденіну до тиміну та гуаніну до цитозину дорівнює 1.

4. Співвідношення комплементарних пар у ДНК різ­них видів організмів своє, стале і завжди різне. Цей показник називають к оефіцієнтом специфічності ДНК.

Відносний вміст пуринових і піримідинових основ у зразках ДНК Джерело ДНК А Г Ц Т Щитоподібна залоза ВРХ 29,0 21,2 21,2 28,5 Печінка ВРХ 28,8 21,0 21,1 29,0 Щитоподібна залоза людини 30,9 19,9 19,8 29,4 Печінка людини 30,3 19,5 19,9 30,3 Дріжджі 31,7 18,3 17,4 32,6 Вірус вісповакцини 29,5 20,6 20,0 29,9

Коефіцієнт специфічності ДНК* Систематичне положення Вид Вірус Фаг Т2 1,86 Бактерія Кишкова паличка 0,97 Гриб Дріжджі 1,80 Квіткова рослина Пшениця 1,22 Птах Курка 1,36 Ссавець Людина 1,51

*Для ДНК ви­щих рослин, тварин і багатьох мікроорганізмів це спів­відношення більше за одиницю – це так званий АТ-тип (аденіно-тиміновий тип) ДНК. У більшості мікроорганізмів, особливо бакте­рій і грибів, переважає ГЦ-тип (гуаніно-цитозиновий тип) ДНК.

Вторинна структура РНК поки що вивчена недостатньо. На відміну від ДНК молекули РНК, як правило, однониткові. Побудовані вони аналогічно ниткам ДНК. У рідких випадках, а саме у деяких РНК-вмісних вірусів молекули РНК двониткові, які складаються із двох антипаралельних і комплементарних ниток, з'єднаних водневими зв'язками аденін-урацил і гуанін-цитозин.

Однониткова будова молекул більшості РНК обумовлює відносну лабільність їх конформацій і, в розчині вони нерідко утворять клубкоподібні структури. Однак у багатьох РНК у межах однієї нитки зустрічаються ділянки з однаковою, але протилежно орієнтованою («паліндромною») послідовністю комплементарних основ, що приводить до виникнення «шпильок», добре видимих в електронному мікроскопі, у яких дві комплементарні одна одній ділянки однієї нитки зближені і з'єднані водневими містками між парами основ. Якщо нитка РНК має декілька таких комплементарних одна одній ділянок, то утворюється декілька «шпильок» і конформація молекули набуває значної стабільності, що особливо характерно для транспортних РНК, пло­ске зображення якої за формою схоже на листок конюшини.

Утворення «шпильки» в молекулі РНК (1,2 – «паліндроми» нуклеотидів)

Модель вторинної структу­ри тРНК за Холлі

2.2.3. Третинна структура ДНК (за гіпотезою Корнберга, 1974 р.)

Якщо розмістити в одну лінію всі молекули ДНК тільки однієї клітини, наприклад людини, утвориться нитка довжиною 2 м. Завдяки утворенню третинної структури ДНК компактно укладається в клітині, в результаті чого хроматин виглядає як намисто, ланками якого є нуклеосоми. Нуклеосома мі­стить 100-200 пар нуклеотидів, намотаних на гістонову серцевину (по дві молекули ядерних білків-гістонів Н2А, Н2В, НЗ, Н4). Сусідні нуклеосоми зв'язані між со­бою спайсерними ділянками ДНК, які включають приблизно 50 пар нуклеотидів, по одній молекулі білка-гістона Н1, а також негістонові білки. Ці ділянки забезпечує гнуч­кість хроматинової нитки. На відміну від ядерної ДНК, ДНК мітохондрій та хлоропластів не зв'язана з гістонами (як ДНК прокаріот), що підтверджує гіпотезу симбіотичного походження цих органоїдів.

Схема будови нуклеосоми: 1 – нуклеосома (октамер *гістонів Н2А, Н2В, Н3 та Н4, на які намотані дві спіралі ДНК); 2 – гістон Н1; 3 – спайсерна ділянка ДНК

Соленоїдна модель хроматину

*Гістони – це невеликі за розміром (50-200 амінокислотних залишків) основні білки з по­зитивним зарядом (зумовлений наявністю трьох амінокис­лот: аргініну, лізину, гістидину). Утворення комплексу з ДНК (що має негативний заряд) відбувається за рахунок іонних зв'язків між фосфатною групою полінуклеотидного ланцюга та аміногрупою поліпептиду. Гістони розділяють на п'ять типів: НІ, Н2А, Н2В, НЗ, Н4, які відрізняються один від одного кількістю амінокислот та відношенням лі­зин і аргінін. Структура гістонів НЗ та Н4 з про­ростків гороху і з тимусу теляти, як довели Сміт та Де Ланж, дуже подібна, тобто послідовність амінокислот збереглася протягом приблизно 3-6х10⁸ років з часу розділення усього живого на рослин та тварин. Ця консервативність свідчить, що зазначені гістони виконують дуже важливу функцію, яка виникла на початку еволюції еукаріот і збереглася до нашого часу. Гістонним білкам властива здатність до зміни заряду, форми молекул, до утворення водневих зв'язків, що може мати важливе значення у регуляції доступності ДНК до реплікації та транскрипції.

Утворення нуклеосом не пояснює ступінь конденса­ції ДНК в усій хромосомі, оскільки забезпечує лише семи­кратну щільність упаковки, тоді як в інтерфазній хромосомі ця щільність становить 10²-10³, а в метафазній – 10⁴. Очевидно, що нуклеосома являє собою лише перший рівень конденсації ДНК. Другий рівень, можливо, полягає в тому, що самі нуклесоми вкладаються в спіраль. Тому запропонована соленоїдна модель хроматину діаметром 360 Ǻ зі щільністю упаковки близько 40 Ǻ. Складання таких соленоїдів у петлі може дати додаткову конденсацію. Мабуть, у стабілізації структури хромосом найвищих порядків беруть участь різноманітні негістонові білки,яких нараховується не менше сотні. До них належать ДНК- та РНК-полімерази, які до того ж беруть участь у реплікації та транскрипції ДНК, а також у регуляторних процесах, пов'язаних із син­тезом ДНК і РНК.

2.3. Функції НК

¹Три сусідніх нуклеотиди у молекулі мРНК називаються кодоном, вони кодують включення у поліпептидний ланцюг залишку однієї амінокислоти.

²Три нуклеотиди на середній лопаті тРНК, які комплементарні трійці нуклеотидів у мРНК, називаються антикодоном. Його сполучення з відповідним триплетом нуклеотидів іРНК – кодоном – забезпечує включення відповідної амінокислоти в поліпептидний ланцюг білка. Остання послідовність нуклеотидів у молекулі тРНК завжди така – ЦЦА. Це акцепторний кінець молекули, куди приєднуються амінокислоти. Зв’язують амінокислоти з відповідною тРНК активаторні ферменти, які їх розпізнають.

Ліва петля (ТΨС) має будову, однакову для всіх молекул тРНК, тому, очевидно, «керує» зв’язком тРНК з рибосомою. Права петля DHU, – навпаки, неоднакова у різних молекул тРНК. Вона, очевидно, приймає участь у виборі амінокислоти.

2.4. Властивості НК

Здатність ДНК до автосинтезу (самокопіювання, самоподвоєння, реплікації), тобто до відтворення собі подібної молекули із нуклеотидів.

Здатність до репарації (самовідновлення) пошкоджених ділянок.

Зберігають генетичну інформацію в клітинах та безперервно передають з покоління до покоління.

Можуть змінювати свою молекулярну структуру (мутувати) під впливом факторів зовнішнього середовища.

2.5. Біосинтез нуклеїнових кислот

Майже усі живі організми, за винятком деяких мікроорганізмів, синтезують нуклеїнові кислоти з нуклеотидів (А, Т, Г, Ц, У), які у свою чергу, синтезуються за допомогою послідовних ферментативних реакцій з амінокислот. При розщепленні нуклеїнових кислот значна части­на нітратних основ не розпадається на складові, а використовується знову для синтезу нуклеотидів.

Біосинтез нуклеїнових кислот

Схема напівконсервативного способу реплікації ДНК: з однієї двоспіральної молекули ДНК утворюються дві двоспіральні, причому у кожній новоутвореній молекулі ДНК одна нитка походить від батьківської молекули, а друга синтезується заново

Отже, нуклеїнові кислоти мають відповідний хімічний склад, структуру та властивості, що дозволяє їм успішно виконувати функцію зберігання та передачі спадкової інформації.