Белки .Нуклеиновые кислоты

Рентгеноструктурный анализ молекул ДНК показал, что  пуриновые и пиримидиновые основания  нуклеотида лежат в одной плоскости, практически перпендикулярной продольной оси молекулы (так называемая В-форма  двойной спирали ДНК, которую  она имеет в физиологических условиях), тогда как остатки дезоксирибозы находятся в плоскости, почти перпендикулярной плоскости, в которой лежат азотистые основания.

Синтез  Н. к. в клетке осуществляется по принципу копирования молекулы-матрицы путем  реакции поликонденсации нуклеозидтрифосфатов с отщеплением пирофосфата. Этот процесс катализируется ферментами полимеразами. Последовательность азотистых оснований в строящейся молекуле определяется их последовательностью в молекуле-матрице. Синтез молекул ДНК называют репликацией (редупликацией), т.е. образованием молекул-реплик на материнской молекуле.

Генетическая  информация из клетки в клетку, из поколения  в поколение передается именно путем  репликации (редупликации) молекул  ДНК, в результате которой из одной  молекулы ДНК образуются две дочерние, полностью идентичные материнской, что обеспечивает передачу полного комплекса наследственной информации. В процессе редупликации между парами нуклеотидов разрываются водородные связи, к освободившимся нуклеотидам присоединяются содержащие комплементарные им азотистые основания дезоксинуклеозидтрифосфаты. Т.о., каждая дочерняя двойная спираль включает в себя одну материнскую и одну вновь синтезированную полинуклеотидную цепь. Репликация является сложным процессом, в котором принимают участие множество ферментов, белок, разделяющий нити ДНК, нуклеазы, лигазы и другие белки. Для ее осуществления необходимы матричная ДНК; дезоксирибонуклеозидтрифосфаты всех четырех азотистых оснований, а также ионы Mg²⁺ (рис. 2).

Рост  новой цепи катализируется ферментом ДНК-полимеразой. Репликация начинается (инициируется) в определенных участках молекулы ДНК — репликаторах, первичная структура которых характеризуется высоким содержанием пар А—Т и наличием так называемых обратных повторов (палиндромов). Терминация (окончание) репликации происходит либо при слиянии двух вилок репликации, либо в так называемых точках терминации редупликации. У бактерий и эукариот в каждом цикле деления клетки, как правило, должна реплицироваться вся ДНК и при том один раз, поэтому должны существовать механизмы контроля за инициацией репликации и механизмы, благодаря которым различаются материнские и дочерние молекулы. Иногда (в норме и при патологии) может происходить многократная репликация ДНК всего генома (см. Ген) без последующего деления клетки, что приводит к возникновению полиплоидных ядер, или репликация отдельных частей генома без репликации всего генома (так называемая экстрарепликация). Описаны случаи недорепликации части ДНК той части генома в клетках эукариот, в которой нет генов, необходимых для жизнеобеспечения клетки. Сходство ферментов, катализирующих этапы репликации, и основных процессов, происходящих в вилке репликации, у прокариот и эукариот свидетельствует о высокой эволюционной стабильности и жестком генетическом контроле репликации ДНК.

Распад  ДНК, как и РНК, в норме в  живых клетках не происходит. ДНК  погибших клеток или клеток, целостность  стенки которых нарушена, расщепляется специфическими нуклеазами (ДНК-азой I и ДНК-азой II), катализирующими разрыв межнуклеотидных связей в поли- или олигонуклеотидах без образования неорганического фосфата. По характеру действия нуклеазы являются фосфодиэстеразами. Роль нуклеаз в генетической рекомбинации (см. Генетическая инженерия), исправлении (репарации) генетических повреждений, защите клетки от чужеродных Н. к. чрезвычайно велика. Их активность в тканях и биологических жидкостях может служить диагностическим тестом при ряде заболеваний. Так, активность ДНК-азы II в сыворотке крови возрастает при острых панкреатитах, особенно геморрагическом панкреатите, а активность РНК-азы в сыворотке крови возрастает при уремии. Генетически обусловленная недостаточность некоторых нуклеаз является причиной тяжелых наследственных заболеваний (например, пигментной ксеродермы).

По способу  атаки субстрата нуклеазы делят на экзо- и эндонуклеазы. Экзонуклеазы катализируют последовательное отщепление моно- или олигонуклеотидов от одного из концов полинуклеотидной цепи. Некоторые экзонуклеазы катализируют расщепление и ДНК, и РНК.

Эндонуклеазы  катализируют разрыв между внутренними звеньями полинуклеотидной цепи и отличаются гораздо более высокой субстратной специфичностью, чем экзонуклеазы.

В распаде  Н. к. принимают участие также  нуклеозидазы, которые катализируют расщепление фосфомоноэфирных связей в мононуклеотидах с образованием нуклеозидов и неорганического фосфата, по характеру действия они являются фосфомоноэстеразами, и гидролитические и фосфоролитические нуклеозидазы (нуклеозидгидролазы и нуклеозидфосфорилазы).

Рибонуклеиновые кислоты у большинства организмов обеспечивают реализацию генетической информации, однако у РНК-содержащих вирусов они могут быть также носителями наследственной информации подобно ДНК.

Молекула  РНК представляет собой линейный полимер, мономерными звеньями которого являются рибонуклеотиды (их углеводным компонентом служит пентоза—D-1-рибоза). Характерные структурные элементы некоторых РНК представлены минорными основаниями (соответствующие им нуклеотиды входят в состав ряда РНК в очень небольших количествах).

Первичная структура РНК строго специфична и уникальна для каждого вида природной РНК. Она служит формой записи биологической информации, многократно и точно воспроизводящейся в процессе биосинтеза РНК. Структура синтезируемой РНК, строящейся на молекуле ДНК как на матрице (процесс транскрипции), определяется этой молекулой ДНК, что является начальным этапом реализации генетической информации, зашифрованной в ее полинуклеотидной цепи. Синтез РНК-транскрипция катализируется РНК-полимеразами, которые считывают лишь одну, так называемую значащую нить двойной спирали ДНК-матрицы. В процессе транскрипции образуется РНК-копия соответствующей ДНК или РНК-копия гена.

Вторичная и третичная структуры молекулы РНК (ее пространственная конфигурация), как и в молекулах ДНК, формируются  в основном за счет водородных связей и межплоскостных гидрофобных взаимодействий между азотистыми основаниями. Однако, если для молекулы ДНК характерен вид устойчивой двунитевой спирали, то вторичная и третичная структуры молекул РНК гораздо более лабильны и вариабельны. Полинуклеотидные цепи РНК обладают большой гибкостью. В растворах с низкой ионной силой молекулы РНК ведут себя как типичные полиэлектролиты; при повышении ионной силы раствора разбухшие цепи РНК сжимаются, на отдельных участках гибкой цепи РНК, которая, перегибаясь, навивается сама на себя, образуются двуспиральные структуры в результате так называемого комплементарного спаривания, как и в молекулах ДНК. Такие структуры в молекулах РНК стабилизируются водородными связями между противолежащими азотистыми основаниями на антипараллельных участках цепи. Специфическими парами азотистых оснований на двуспиральных участках молекулы РНК являются, как и в молекуле ДНК, А—У, Г—Ц и Г—У (урацил вместо тимина). Молекулы РНК, состоящие из двух комплементарных полинуклеотидных цепей, обнаружены в некоторых вирусах; кроме того, они образуются как промежуточные формы при биосинтезе ряда вирусных РНК (так называемые репликативные формы РНК).

Некоторые двуспиральные РНК подобно ДНК  могут существовать в виде кольцевых  молекул и, если обе полинуклеотидные цепи ковалентно замкнуты, способны образовывать суперспирализованные кольца. РНК могут формировать двухтяжевые комплексы, в которых один тяж представлен полирибонуклеотидной, а другой — полидезоксирибонуклеотидной цепью. Такие ДНК—РНК-гибридные комплексы образуются во время репликации ДНК с участием так называемых затравочных фрагментов РНК, а также во время транскрипции РНК на матрице ДНК. ДНК—РНК-гибридные комплексы возникают также после заражения клеток некоторыми РНК-содержащими вирусами в результате синтеза на вирусной РНК комплементарной ей ДНК с помощью фермента обратной транскриптазы (ревертазы).

Содержание  РНК в живых клетках (за исключением  сперматозоидов) значительно выше, чем содержание ДНК. Основная масса  РНК локализована в цитоплазме клетки: в составе собственно цитоплазматических рибосом (см. Клетка) и митохондрий, а также присутствует в виде нерибосомных комплексов с белками. В ядро РНК входит хроматин (часть ядерных РНК является продуктом текущей транскрипции генов).

Функции РНК в клетке сложны и многообразны. Различают три основных типа РНК: рибосомные РНК (рРНК), транспортные РНК (тРНК) и информационные, или матричные, РНК (иРНК, или мРНК). В клетках существует еще набор так называемых малых РНК, функции которых пока не выяснены.

Рибосомные  РНК составляют около 80% всех клеточных  РНК, по массе от 50 до 65% всего материала  рибосом приходится на РНК. В каждой субъединице рибосом (большой и малой) РНК служит каркасом, на котором собираются рибосомные белки Сформировавшийся рибонуклеопротеидный комплекс (так называемый рибонуклеопротеидный тяж — РНП-тяж) организуется в сложную компактную частицу — собственно рибосомную субъединицу. Роль рРНК в белоксинтезирующей системе клетки не исчерпывается ее структурными функциями. Полагают, что некоторые участки рРНК играют определенную роль в формировании пептидилтрансферазного центра рибосомы, ответственного за образование пептидных связей между остатками аминокислот при синтезе белка.

Транспортные  РНК составляют около 15% от общего количества клеточных РНК. Нуклеотидная цепь тРНК содержит всего 75—90 нуклеотидов, для  большинства тРНК установлена полная последовательность нуклеотидов в цепи. Особенностью тРНК является относительно высокое содержание нуклеотидов, включающих минорные азотистые основания. Эти Н. к. с помощью высокоспецифичных ферментов аминоацил-тРНК-синтетаз присоединяют к себе ту или иную аминокислоту и переносят ее на рибосому. Для одной и той же аминокислоты имеется несколько тРНК, которые называют изоакцепторными. Транспортная РНК в ходе синтеза полипептидной цепи белка «узнает» специфическую аминоацил-тРНК-синтетазу, принимает от нее активированную аминокислоту, присоединяется к иРНК на рибосоме и тем самым обеспечивает строгую специфичность выбора и встраивания аминокислот в растущую молекулу белка; после образования пептидной связи между доставленной аминокислотой и уже построенной полипептидной цепью тРНК удерживает эту цепь на рибосоме.

Информационные, или матричные, РНК составляют всего 5% от общего количества клеточной РНК. Их биологическая роль заключается  в программировании синтеза всех клеточных белков. Если рРНК и тРНК относятся к «обслуживающему» аппарату белоксинтезирующей системы клетки, то иРНК является прямым посредником между ДНК и белками и служит матрицей для синтеза белков; в форму иРНК переводится большая часть информации, заключенной в ДНК.

В соответствии с химическим строением полинуклеотидной цепи существуют три группы методов количественного определения Н. к.: по содержанию азотистых оснований (спектрофотометрическое определение), углеводного компонента (специфические цветные реакции), по количеству фосфора. Методы второй группы специфичны к типу Н. к. и позволяют отличить ДНК от РНК.

Определение нуклеотидных последовательностей  индивидуальных Н. к. представляет большой  практический интерес. Это, в частности, путь идентификации мутантных генов  и расшифровки молекулярных механизмов, лежащих в основе синтеза аномальных белков при различных формах  наследственной патологии

Рис. 2. Схема репликации молекулы ДНК: дочерняя цепь (реплика) строится на каждой из родительских полинуклеотидных цепей, как на матрице. Стрелкой указано направление движения так называемой вилки репликации, пунктиром обозначены водородные связи между азотистыми основаниями. А — аденин, Т — тимин, Г — гуанин, Ц — цитозин.

Рис. 1. Схематическое изображение соединения нуклеотидных звеньев в полинуклеотидную цепь нуклеиновой кислоты: в молекулах  ДНК R-водород, в молекулах РНК  — ОН-группа (гидроксильная группа). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Вывод

Белки — важная часть питания животных и человека, поскольку в их организме не могут синтезироваться все необходимые аминокислоты и часть из них поступает с белковой пищей. В процессе пищеварения ферменты разрушают потреблённые белки до аминокислот, которые используются при биосинтезе белков организма или подвергаются дальнейшему распаду для получения энергии.

Определение аминокислотной последовательности первого  белка — инсулина — методом секвенирования белков принесло Фредерику Сенгеру Нобелевскую премию по химии в 1958 году. Первые трёхмерные структуры белков гемоглобина и миоглобина были получены методом дифракции рентгеновских лучей, соответственно, Максом Перуцем и Джоном Кендрю в 1958 году^[2][3], за что в 1962 году они получили Нобелевскую премию по химии.