Герасименко В.Г., Герасименко М.О., Цвіліховський М.І. та ін. Біотехнологія

Подождите немного. Документ загружается.

ЧастинаI.Заальнабіотехнолоія

П#рин

Піримідин Імідазол

Аденін(6-аміноп#рин) Г#анін(2-аміно-6-о&сип#рин)

β-D-рибоза D-рибоза β-D-рибоф#раноза

Крім названих похідних пурину і піримідину, в гідролізатах

НК міститься кілька десятків інших основ (1метиладенін,

1метилгуанін, N

диметилгуанін, N

диметиладенін, N

метил

гуанін, 5метилцитозин, 5оксиметилцитозин, 4тіоурацил, дігі

дроурацил та ін.), які через малу кількість отримали назву екзо

тичних, або мінорних компонентів. Їхня біологічна роль,

очевидно, зводиться до захисту НК від руйнівної дії ферментів.

Особливо багато мінорних основ у складі тРНК (близько 60).

Розділ3.Основимолелярноїбіолоії

β-D-2-дезо&сирибоза

2-дезо&сирибоза

β-D-2-дезо&сирибоф#ранова

Неоранічнийфосфат

(Ф

Н,або Рі)

Неоранічнийпіфосфат

(ФФ

Н,або РРі)

ЧастинаI.Заальнабіотехнолоія

Азотисті основи, що містять ОНгрупи (гуанін, цитозин, ти

мін і урацил), здатні до кетоенольних таутомерних перетво

рень і залежно від реакції середовища можуть знаходитися в

енольній (лактимній) чи кетонній (лактамній) формі:

За фізіологічних умов більш стабільними є кетоструктури; у

кетоформі азотисті основи входять до складу нуклеїнових кислот.

З п’яти вищеназваних пуринових і піримідинових азоти

стих основ до складу ДНК входять аденін, гуанін, цитозин і ти

мін. Вони містяться і в РНК, але замість тиміну присутній ура

цил. Назва НК залежить від пентози, що входить до її складу: у

ДНК вуглеводний компонент представлений дезоксирибозою,

у РНК — рибозою. Ця відмінність у будові рибози і дезоксири

бози (заміна у другого вуглецевого атома рибози ОНгрупи на

Н) сприяє зміцненню зв’язку між другим і третім атомами ву

глецю і створює сприятливі умови для компактного укладання

молекули ДНК.

При ферментному гідролізі НК утворюються продукти, що

складаються із залишків азотистих основ, рибозного чи дезок

сирибозного компонентів та фосфорної кислоти:

Та#томеризація

Атоми вуглецю пентози мають цифрові позначення зі

штрихом, щоб можна було відрізнити їх від вуглецевих атомів,

що входять у пуринові чи піримідинові гетероцикли.

Сполуки, що складаються із залишків тієї чи іншої азотистої

основи, пентозного (рибозного чи дезоксирибозного) компонен

та і фосфорної кислоти, називаються нуклеотидами. Вони є мо

номерними одиницями олігонуклеотидів і полінуклеотидних

структур НК. Відщеплення від нуклеотида фосфорної кислоти

супроводжується утворенням відповідного нуклеозида. Продук

ти фосфорилювання нуклеозидів, зокрема нуклеозидтрифосфа

ти, використовуються для біосинтезу ДНК і РНК. Нуклеозиди і

нуклеотиди одержують назви за азотистими основами, що вхо

дять до їх складу. Якщо вуглеводний компонент нуклеозиду

представлений дезоксирибозою, то перед назвою відповідного

нуклеотида ставиться префікс дезокси, наприклад дезоксигуа

нозин5трифосфат (дГТФ). Дані за номенклатурою нуклеоти

дів, нуклеозидів і азотистих основ представлені в табл. 3.1.

Розділ3.Основимолелярноїбіолоії

Існують нуклеотиди, що мають циклічну будову. Це насам

перед циклічні аденозинмонофосфати (цАМФ чи сАМР), гуа

нозинмонофосфати (цГМФ чи сGМР) і цитозинмонофосфати

(цЦМФ чи сСМР). Циклічні АМФ і ГМФ утворюються з від

повідних нуклеозидтрифосфатів під дією ферментів аденілат

циклази і гуанілатциклази. Біологічне значення цАМФ полягає

в його контролі за активністю ферментів (вторинний медіатор);

роль первинного регулятора виконує адреналін, що активує

аденілатциклазу. Механізм дії цГМФ і цАМФ подібний, однак

при дії на той самий фермент цГМФ чинить протилежний

ефект, тобто є інгібітором ферментів. Даних про біологічну ак

тивність цЦМФ поки що мало відомо:

ЧастинаI.Заальнабіотехнолоія

Таблиця 3.1.

Номенклатура азотистих основ, нуклеозидів і нуклеотидів

3.1.2. Структура нуклеїнових кислот

Первинна структура. Залишки нуклеотидів у поліну

клеотидному ланцюзі з’єднані фосфодіефірними зв’язками між

′ОНгрупою пентози одного нуклеотиду і 3′ОНгрупою пен

този іншого нуклеотиду. При скороченому зображенні формул

НК вуглеводний компонент має вигляд вертикальних ліній, над

якими знаходяться символи азотистих основ. Іноді обмежують

ся позначенням приналежності азотистих основ до пуринів (Пу,

Рu) чи піримідинів (Пі, Рy). Фосфодіефірні зв’язки між залиш

ками сусідніх нуклеотидів мають вигляд косих ліній, посереди

ні яких знаходиться хімічний знак фосфору (Р):

Розділ3.Основимолелярноїбіолоії

ЧастинаI.Заальнабіотехнолоія

У таких і ще більш скорочених формулах полінуклеотидів

′кінець нуклеотидного залишку прийнято розташовувати лі

воруч:

′ — Г — У — Г — Ц — А — А У — Ц — Г — Ц — Ц — А — 3′,

чи

5′ — G — U — G — С — А — А U — С — G — С — С — А — 3′.

Гідроліз полінуклеотидного з’єднання приведе до утворен

ня гуанілової кислоти як кінцевого нуклеотида з вільним фос

фатом у 5′кінці і вільного аденозину в 3′кінці.

Послідовність розташування чи порядок чергування за

лишків мононуклеотидів у полінуклеотидному ланцюзі визна

чає первинну структуру ДНК і РНК. В утворенні первинної

структури беруть участь глікозидний зв’язок, що з’єднує азоти

сті основи з пентозою, ефірний зв’язок між рибозою чи дезокси

рибозою і фосфорною кислотою та фосфодіефірний зв’язок

між нуклеотидами. Усі ці зв’язки ковалентні, досить міцно ста

білізують первинну структуру. При цьому встановлено, що ну

клеотиди в полінуклеотидні ланцюги зв’язані в ДНК і РНК за

допомогою 3′, 5′фосфодіефірних зв’язків. Послідовність ну

клеотидів у полінуклеотидному ланцюзі ДНК подається у ви

гляді різних варіантів схем:

Взаємодії між пуринпіримідиновими парами основ, що за

безпечують зв’язок поліпептидних ланцюгів у ДНК, представ

лені на рис. 3.1. Розгалужень у поліпептидному ланцюзі ДНК не

виявлено.

Питання щодо встановлення первинної структури ДНК

пов’язано з величезними труднощами, які полягають у тому, що

молекулярна маса навіть найменших молекул ДНК обчислюєть

ся мільйонами дальтон. З огляду на це за ініціативою і участю

Розділ3.Основимолелярноїбіолоії

ЧастинаI.Заальнабіотехнолоія

Рис. 3.1. Пурин<піримідинові пари основ у ДНК

(за Бохінські Р., 1986)

Гуанін Цитозин

(три водневі зв'язки)

Аденін Тимін

(два водневих зв'язки)

————

СРСР і США у 1988 році було розпочато виконання важливої

Міжнародної програми «Геном людини», кінцевою метою якої

стало визначення повної генетичної карти людини і розшифру

вання нуклеотидних послідовностей не тільки в екзонних, але й

в інтронних фрагментах ДНК. У 2001 році, але вже без участі

СРСР, який на цей час припинив своє існування, вперше було

опубліковано відомості про первинну структуру ДНК людини.

У вирішенні цього питання брали участь тисячі науковців з

більш ніж 20 країн світу. Вони встановили, що у 23х парах хро

мосом ядра соматичної клітини людини знаходяться близько

3,2 млрд. мононуклеотидних пар, не враховуючи нуклеотидний

склад мітохондрій. Цікавим є повідомлення про те, що загальна

довжина ДНК у ядрах всіх клітин людини досягає астрономіч

ної величини –10

км, що майже в 1000 разів перевершує від

стань від Землі до Сонця.

Вторинна структура. При вивченні хімічного складу

нуклеїнових кислот були встановлені значні розходження у від

носному вмісті азотистих основ у різних ДНК, однак молярне

співвідношення між аденіном і тиміном, а також між цитозином

і гуаніном у всіх досліджених ДНК залишалося рівним при

близно 1:1, тобто число залишків аденіну дорівнює числу за

лишків тиміну, а число залишків гуаніну — числу залишків ци

тозину. На основі цих даних Чаргаффом Є. (1950) була

висунута концепція про спарювання основ у ДНК, чи правило

комплементарності, відповідно до якого азотисті основи взає

модіють між собою при біосинтезі молекул ДНК у будьяких

організмах: аденін — з тиміном, а гуанін — з цитозином.

Франклін Р. та Уілкінс М. методом рентгеноструктурного

аналізу одержали дані, з яких випливало, що молекули ДНК,

напевно, мають будову спіралі, що складається з декількох лан

цюгів.

Модель ДНК у вигляді подвійної спіралі була запропонова

на в 1953 р. Уотсоном Дж. та Кріком Ф. на підставі аналізу от

риманих Франклін Р. та Уілкінсом М. картин рентгенівської

дифракції волокон ДНК. Уотсон Дж. та Крік Ф. встановили, що

ДНК — це подвійна спіраль, що складається з двох антипара

лельних полінуклеотидних ланцюгів. У запропонованій струк

турі найважливішим моментом є спарювання азотистих основ

Розділ3.Основимолелярноїбіолоії