Химический состав и строение ДНК

Нуклеиновые кислоты

Функции белков

· Каталитическая. Все биохимические реакции, протекающие в клетке, катализируются белками особой группы – ферментами (энзимами). Каждая реакция обеспечивается собственным ферментом, вследствие чего ускоряется как минимум в 1 млн раз. Например, липаза расщепляет жиры, амилаза – крахмал. Ферменты локализуются в митохондриях, цитоплазме, лизосомах и на мембранах клеток и органелл.

· Структурная. Белки входят в состав биологических мембран, мембранных и немембранных органелл клетки, обладают способностью образовывать волокна. Например, главным компонентом хрящей и сухожилий является фибриллярный белок коллаген. Связки содержат эластин – белок, способный растягиваться в двух измерениях. Волосы, ногти и перья состоят из прочного нерастворимого белка кератина. Шелковые нити и паутина построены из белка фиброина.

· Сократительная и двигательная. Белки наделяют клетку или организм способностью сокращаться, изменять форму или передвигаться (актин и миозин мышечных клеток, тубулин микротрубочек).

· Транспортная. Существуют специальные белки-переносчики, которые, связываясь со специфическими веществами (гормонами, аминокислотами, липидами, моносахаридами, кислородом и др.), обеспечивают их транспорт между тканями и через мембраны клетки.

· Регуляторная. Некоторые белки участвуют в системе регуляции клеточной или физиологической активности. На клеточном уровне: белки-репрессоры и белки-активаторы транскрипции. На организменном уровне: некоторые гормоны – белки (например, инсулин, соматотропин, паратиреоидный гормон).

· Запасающая и пищевая. В семенах многих растений запасены белки, потребляемые зародышем на первых стадиях развития. Пищевыми белками являются альбумин (главный белок яиц птиц) и казеин (главный молочный белок).

· Защитная. Иммуноглобулины (антитела) позвоночных – специализированные белки. Они вырабатываются лимфоцитами и, взаимодействуя с антигенами, дезактивируют чужеродные соединения, вирусы, бактерии и т. д. Фибриноген и тромбин участвуют в свертывании крови, предохраняя организм от её потери.

· Токсическая. Многие токсины бактерий (дифтерийный токсин), растений (рицин) и животных (яд змей) являются веществами белковой природы.

· Энергетическая. В экстремальных условиях при истощении углеводных и липидных ресурсов белки могут распадаться с освобождением энергии.

Различают два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), которые обеспечивают хранение наследственной информации, и рибонуклеиновые кислоты (РНК), играющие основную роль в реализации генетической информации.

 

 

Молекула ДНК представляет собой правильную спираль, образованную двумя полинуклеотидными цепями, закрученными друг относительно друга и вокруг общей оси. Диаметр спирали постоянен вдоль всей ее длины и равен 2,0 нм. Полный оборот спирали составляет 3,6 нм. На один виток спирали приходится 10,5 нуклеотидных остатков в одной цепи. Межнуклеотидное расстояние составляет 0,34 нм. Спираль правозакрученная, полинуклеотидные цепи в ней антипараллельны, т. е. разнонаправлены: 3′-концу одной цепи соответствует 5′-конец другой (рис. 8). На поверхности спирали можно выделить две бороздки: большую и малую, их также называют главным и минорным желобками (рис. 9.):

 

Гидрофильные сахарофосфатные остовы цепей расположены на внешней стороне двойной спирали. Гидрофобные азотистые основания направлены внутрь спирали, расположены параллельно друг другу и перпендикулярны главной оси спирали. Последовательность азотистых оснований нерегулярна, каждая молекула ДНК определенного типа характеризуется особой последовательностью.

Каждая полинуклеотидная цепь – линейная последовательность нуклеотидов. Нуклеотид ДНК имеет три компонента (рис. 10, 11):

· азотистое основание (рис. 12): либо пуриновое (аденин (А) или гуанин (Г)), либо пиримидиновое (цитозин (Ц) или тимин (Т));

· пятиуглеродный сахар – дезоксирибозу;

· фосфатный остаток.

Азотистое основание, связанное с пентозой, называется нуклеозид.

 

Рис. 10. Компоненты нуклеотида, входящего в ДНК

 

Пурины

 

Пиримидины

 

Рис. 11. Структурная формула
нуклеотида, содержащего в качестве
азотистого основания аденин

 

 

Рис. 12. Структурные формулы азотистых оснований, входящих в состав ДНК и РНК: пурины: аденин (А) и гуанин (Г) – содержат два гетероцикла; пиримидины: тимин (Т), цитозин (Ц) и урацил (У) – содержат один гетероцикл

Нуклеотиды соединены в цепи прочными ковалентными (фосфодиэфирными) связями. Причем эти связи осуществляются за счет 3′-ОН одного нуклеозидного остатка и 5′-ОН другого. Поэтому межнуклеотидные связи называют 3′-5′-фосфодиэфирными. Обе полинуклеотидные цепи соединены друг с другом водородными связями, образующимися между азотистыми основаниями внутри спирали. При этом аденин (А) соединяется только с тимином (Т), а гуанин (Г) – с цитозином (Ц). В результате у любого организма независимо от видовой принадлежности сумма пуриновых азотистых оснований равна сумме пиримидиновых оснований (А+Г=Т+Ц). Эта закономерность получила название «правило Чаргаффа».Пара аденин-тимин образуется путем формирования двух водородных связей (А Т), пара гуанин-цитозин – трех (Г Ц). Основания, образующие водородные связи, получили название комплементарных пар (рис. 13).

Рис. 13. Полинуклеотидные цепи ДНК, объединенные водородными связями

Комплементарность (от лат. complementum – дополнение) – пространственная взаимодополняемость (взаимное соответствие) поверхностей молекул или их частей, приводящая, как правило, к образованию вторичных связей между ними (водородных связей). Комплементарность азотистых оснований в полинуклеотидных цепях – ключевое свойство ДНК, на котором основаны все фундаментальные процессы жизнедеятельности клетки: репликация, транскрипция, трансляция, репарация.