Нуклеиновые кислоты

1.Первичная  структура нуклеиновых  кислот. Принцип комплементарности  и его биологическое  значение.

Открытие  нуклеиновых кислот связано с  именем молодого врача из города Базеля (Швейцария) Фридриха Мишера. После  окончания медицинского факультета Мишер был послан для усовершенствования и работы над диссертацией в Тюбинген (Германия) в физиолого-химическую лабораторию, возглавляемую Ф. Гоппе-Зейлером. Тюбингенская лаборатория в то время была известна ученому миру. Пройдя практику по органической химии, Мишер приступил к работе в биохимической лаборатории. Ему было поручено заняться изучением химического состава гноя. Молодой ученый не возражал против предложенной темы, так как считал лейкоциты, присутствующие в гное, одними из самых простых клеток.

Путём многочисленных опытов он получил из гнойных клеток вещество ядерного происхождения. Мишер был уверен именно в ядерном его источнике. Поэтому он начал более тщательное выделение ядер. В то время еще никто в биохимических лабораториях не пытался выделить ядра или какие-либо другие субклеточные компоненты, так что и здесь он был пионером.

Продолжив дальше очищать ядро от других клеточных  фрагментов, он получил странное вещетво. Оно не разлагалось протеолитическими  ферментами, значит, не являлось белком. Отсутствие растворимости в горячем спирте указывало на то, что это вещество не являлось и фосфолипидом. По-видимому, оно относилось к новому классу биохимических соединений.

Но Мишер  с большой горячностью настаивал  на точности своих результатов и  добивался разрешения опубликовать их в печати. Тогда Гоппе-Зейлер решил проверить данные Мишера лично. Он и два его ассистента (одним из них был русский химик Любавин) в течение года шаг за шагом прошли все этапы аналитической работы Мишера и полностью подтвердили его данные, выделив нуклеин из клеток крови и из дрожжей.

В 1872 г. работа Мишера вместе с подтверждающими  ее контрольными работами Гоппе-Зейлера  и его ассистентов увидела  свет. Существование нуклеина как  специфического ядерного вещества стало  научным фактом. Вскоре методика Мишера была применена для выделения нуклеина из различных тканей.

Нуклеиновые кислоты представляют собой биополимеры. Их макромолекулы состоят из не однократно повторяющихся звеньев, которые  представлены нуклеотидами. И их логично  назвали полинуклеотидами. Одной из главных характеристик нуклеиновых кислот является их нуклеотидный состав. В состав нуклеотида (структурного звена нуклеиновых кислот) входят три составные части:

1) Азотистые основания. Являются производными двух типов соединений — пуринов и пиримидинов. Основаниями они называются потому, что обладают основными (щелочными) свойствами, хотя и слабыми. В составе ДНК встречаются два пуриновых— аденин (А) и гуанин (G) и два пиримидиновых — цитозин (С) и тимин (Т) основания. В составе РНК вместо тимина обычно встречается урацил (U).

2) Остаток фосфорной кислоты. Нуклеиновые кислоты являются кислотами потому, что в их молекулах содержится фосфорная кислота.

3) Моносахарид - рибоза или 2-дезоксирибоза. Сахар, входящий в состав нуклеотида, содержит пять углеродных атомов, т.е. представляет собой пентозу. В зависимости от вида пентозы, присутствующей в нуклеотиде, различают два вида нуклеиновых кислот – рибонуклеиновые кислоты (РНК), которые содержат рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие дизоксирибозу.

Дезоксирибонуклеиновая  кислота (ДНК) — биополимер, состоящий из многих мономеров — дезоксирибонуклеотидов, соединённых через остатки фосфорной кислоты в определённой последовательности, специфичной для каждой индивидуальной ДНК. Уникальная последовательность дезоксирибонуклеотидов в данной молекуле ДНК представляет собой кодовую запись биологической информации. Две такие полинуклеотидные цепочки образуют в молекуле ДНК двойную спираль, в которой комплементарные основания — аденин (А) с тимином (Т) и гуанин (Г) с цитозином (Ц) — связаны друг с другом при помощи водородных связей и так называемых гидрофобных взаимодействий.(см. рис.1) Такая характерная структура обусловливает не только биологические свойства ДНК, но и её физико-химические особенности. Большое число фосфатных остатков делает ДНК сильной многоосновной кислотой (полианионом), которая присутствует в тканях в виде солей. Наличие пуриновых и пиримидиновых оснований обусловливает интенсивное поглощение ультрафиолетовых лучей с максимумом при длине волны около 260 ммк. При нагревании растворов ДНК связь между парами оснований ослабевает и при некоторой температуре, характерной для данной ДНК (обычно 80—90°), две полинуклеотидные цепочки отделяются друг от друга (плавление, или денатурация, ДНК).

ДНК служит также матрицей для синтеза рибонуклеиновых  кислот (РНК), определяя тем самым  их первичную структуру (транскрипция). Через посредство информационной РНК (и-РНК) осуществляется трансляция —  синтез специфических белков, структура  которых задана ДНК в виде определённой нуклеотидной последовательности. Итак, если РНК переносит биологическую информацию, "записанную" в молекулах ДНК, на синтезируемые молекулы белков, то ДНК сохраняет эту информацию и передаёт её по наследству. Эта роль ДНК доказывается тем, что очищенная ДНК одного штамма бактерий способна передавать др. штамму признаки, характерные для штамма-донора, а также тем, что ДНК вируса, обитавшего в скрытом состоянии в бактериях одного штамма, способна переносить участки ДНК этих бактерий на другой штамм при заражении его этим вирусом и воспроизводить соответствующие признаки у штамма-реципиента. Таким образом, наследственные задатки (гены) материально воплощены в определённой последовательности нуклеотидов в участках молекулы ДНК и могут передаваться от одного индивидуума другому вместе с этими участками. Наследственные изменения организмов (мутации) связаны с изменением, выпадением или включением азотистых оснований в полинуклеотидные цепочки ДНК и могут быть вызваны физическими или химическими воздействиями. Выяснение строения молекул ДНК и их изменение — путь к получению наследственных изменений у животных, растений и микроорганизмов, а также к исправлению наследственных дефектов.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК), тип нуклеиновых кислот, имеющих универсальное распространение в живой природе; содержат в качестве углеводного компонента рибозу, а в качестве азотистых оснований аденин и гуанин (пуриновые основания) и урацил и цитозин (пиримидиновые основания).(см.рис.2) В небольших количествах в состав РНК входят также некоторые другие производные пурина и пиримидина. РНК — линейные полинуклеотиды с длиной цепи от нескольких десятков до десятков тыс. нуклеотидов (молекулярная масса от 10—20×10³ до 5—6×10⁶), причём каждая индивидуальная РНК имеет определённую последовательность нуклеотидов. В организме РНК находится главным образом в виде комплексов с белками — рибонуклеопротеидов.

РНК играют важнейшую биологическую роль во всех живых организмах, участвуя в  реализации генетической информации и биосинтезе белков. Макромолекулярная структура РНК представлена в основном однонитчатыми полинуклеотидными цепями, которые образуют двуспиральные участки по принципу комплементарности оснований. Многие вирусы содержат РНК в качестве единственного нуклеинового компонента. В таких РНК-содержащих вирусах рибонуклеиновые кислоты могут служить матрицей для биосинтеза не только РНК, но и ДНК (обратная траскрипция).

Биосинтез РНК осуществляется (главным образом  в клеточном ядре) из рибонуклеозид-трифосфатов под действием ферментов полимераз на матрице дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК-зависимые РНК-полимеразы) или у некоторых вирусов на матрице РНК  (РНК-зависимые РНК-полимеразы).

В клетках  бактерий, животных и растений различные  типы РНК  выполняют неодинаковые биологические функции и различаются по строению и метаболизму. Важнейшие типы РНК следующие:

Рибосомные  РНК (рРНК) входят в состав рибосом  составляют основную массу клеточных  РНК; представлены рибосомы с константами  седиментации 23 S, 16 S и 5 S. Полностью установлена первичная структура (т. е. последовательность нуклеотидов) для 5 S РНК, почти полностью — для 16 S РНК и частично для 23 S РНК кишечной палочки. Размеры и структура рибосомных РНК у организмов разных видов неодинаковы. Их биологическая роль не вполне выяснена, целостность их молекул необходима для биосинтеза белков в рибосомах.

Транспортные  РНК  (тРНК): имеют константу седиментации около 4 S и молекулярную массу около 25 000, т. е. являются сравнительно низкополимерными (около 80 нуклеотидных остатков); содержат относительно много метилированных и других минорных оснований. Их биологическая роль заключается в присоединении активированных аминокислотных остатков и переносе (транспорте) их на рибосомы, т. е. к месту синтеза полипептидных цепочек. Для каждой аминокислоты имеются свои специфические тРНК (обычно более одной). Все тРНК имеют сложную, частью двуспиральную, макромолекулярную структуру, изображаемую в виде клеверного листа. Они содержат участки, присоединяющиеся к рибосоме, триплет нуклеотидов (антикодон), присоединяющийся к кодону мРНК, и концевой участок, присоединяющий аминокислотный остаток. Первичная структура более 60 тРНК установлена полностью.

Информационные, или матричные, РНК (иРНК, или мРНК) представляют собой наиболее разнородную группу и играют роль матриц при биосинтезе белков в процессе трансляции (считывания нуклеотидного кода и перевода его в определённую последовательность аминокислот в полипептидных цепях белков). Все виды Р. к. синтезируются в клетках на матрице ДНК, образуя последовательность рибонуклеотидов, комплементарную последовательности дезоксирибонуклеотидов в ДНК (процесс транскрипции). В клеточном ядре обнаружены гигантские молекулы — предшественники мРНК, большая часть которых распадается внутри ядра и только сравнительно небольшая часть молекулы переходит в цитоплазму и образует собственно мРНК. Быстро распадающаяся в клеточном ядре РНК, вероятно, играет регуляторную роль. Обнаружены также некоторые другие типы РНК, например низкополимерная относительно стабильная ядерная РНК, роль которой пока неясна.

Комплементарность-пространственная взаимодополняемость (взаимное соответствие) поверхностей взаимодействующих молекул  или их частей, приводящая, как правило, к образованию вторичных (Ван-дер-Ваальсовых, водородных, ионных) связей между ними. Уникальность и прочность комплементарных структур определяется высокой избирательностью и большой площадью взаимодействия на уровне атомных группировок или зарядов по принципу «ключ — замок» (комплексы антиген — антитело и фермент-субстрат, четвертичная структура белков, вторичная и третичная структура нуклеиновых к-т). Таким образом, слабые взаимодействия в совокупности обеспечивают достаточно сильное притяжение, способное противостоять разрыву, вызываемому тепловым движением. Наиболее ярко комплементарность проявляется в структуре двуспиральных ДНК и РНК, где две полинуклеотидные цепи образуют в результате комплементарного взаимодействия пар пуриновых и пиримидиновых оснований (А-Т, Г-Ц) двуспиральную молекулу. Уникальная вторичная и третичная структура одно-цепочечных полинуклеотидов (тРНК, рРНК) также определяется комплементарным спариванием оснований с образованием «петель» и «шпилек» вдоль по цепи. Комплементарность лежит в основе многих явлений биологической специфичности, связанных с «узнаванием» на молекулярном уровне, — ферментативного катализа, самосборки биологических структур, высокой точности матричного синтеза полинуклеотидов in vivo и in vitro, молекулярных механизмов иммунитета и др. В случае взаимодействия кодон (иРНК) — антикодон (тРНК) строгая комплементарность необходима лишь для двух первых нуклеотидов ко дона и антикодона, в случае третьего нуклеотида «узнавание» иногда может не соответствовать правилам комплементарности (неоднозначность соответствия). 

2. Лизосомы,их характеристика  и функциональное  значение.

Лизосомы  – это гетерогенные органеллы. Они  чрезвычайно разнообразны по форме  и размеру, но могут быть идентифицированы как одно семейство органелл методами гистохимии. Лизосомы были обнаружены во всех эукариотических клетках.

Лизосомы  специализируются на внутриклеточном  расщеплении веществ. Они содержат уникальные мембранные белки и большое  количество разных гидролитических  ферментов, которые лучше всего  работают при кислых значениях pH (pH5), характерных для содержимого лизосом. Кислый pH в лизосомах поддерживается при помощи АТР-зависимой протонной помпы в их мембранах. Вновь синтезированные белки лизосом переносятся в полость ЭР, затем транспортируются через аппарат Гольджи и из транс-сети Гольджи с помощью транспортных пузырьков доставляются в промежуточный компартмент (эндолизосому). Таким образом гетерогенность лизосом отражает широкий спектр реакций расщепления, протекающих с участием кислых гидролаз, включая расщепление внутри- и внеклеточных отходов, переваривание фагоцитированных микроорганизмов и даже питание клетки (поскольку лизосомы – это основное место накопления холестерола из поступающих в клетку путем эндоцитоза сыворочных липопротеинов). На этом основании лизосомы иногда рассматривают как группу разнородных органелл, общим свойством которых является высокое содержание гидролитических ферментов.

Лизосомные  гидролазы содержат N-связанные олигосахариды, которые модифицируются в цискомпартменте  Гольджи таким образом, что их остатки маннозы фосфорилируются. Эти маннозо-6-фосфатные (М6Ф) группы узнаются в транс-сети Гольджи М6Ф-рецептором, который отбирает гидролазы и помогает упаковывать их в отпочковывающиеся покрытые клатрином пузырьки. Транспортные пузырьки, держащие рецептор маннозо-6-фосфата, действуют подобно челнокам, доставляя рецептор от транс-сети Гольджи к эндолизосомам и обратно. Низкий уровень pH в эндолизосомах вызывает диссоциацию комплекса лизосомной гидролазы и рецептора, делая транспорт гидролаз однонаправленным.

Все белки, проходящие через аппарат Гольджи, кроме тех, которые остаются там в качестве постоянных компонентов, сортируются в соответствии с местом конечного назначения в транс-сети Гольджи. Особенно хорошо механизм этой сортировки изучен для белков, направляющихся в полость лизосом.

Лизосома  представляет собой мембранный мешок, наполненный гидролитическими ферментами, которые служат для контролируемого  внутриклеточного расщепления макромолекул. Повреждение мембраны лизосом, вызванное  осмотрическим лизисом или старением препарата, приводит к высвобождению этих ферментов из лизосом в неосаждаемой форме.