Готовая версия ДНК (1113530), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Для подавляющего большинства живых организмов количественное содержание пар А-У больше чем Г-Ц, у млекопитающих в 1,5–1,6 раза, у растений – в 1,2 раза. Существует несколько типов РНК, роли, которых в живом организме различны.

Участие ДНК и РНК в синтезе белков – одна из основных функций нуклеиновых кислот. Белки – важнейшие компоненты каждого живого организма. Мышцы, внутренние органы, костная ткань, кожный и волосяной покров млекопитающих состоят из белков. Это полимерные соединения, которые собираются в живом организме из различных аминокислот. В такой сборке управляющую роль играют нуклеиновые кислоты, процесс проходит в две стадии, причем на каждой из них определяющий фактор – взаимоориентация азотсодержащих гетероциклов ДНК и РНК.

Основная задача ДНК – хранить записанную информацию и предоставлять в тот момент, когда начинается синтез белков. В связи с этим понятна повышенная химическая устойчивость ДНК в сравнении с РНК. Природа позаботилась о том, чтобы сохранить по возможности основную информацию неприкосновенной.

На первой стадии часть двойной спирали раскрывается, освободившиеся ветви расходятся, и на группах А, Т, Г и Ц, оказавшихся доступными, начинается синтез РНК, называемой матричной РНК, поскольку она как копия с матрицы точно воспроизводит информацию, записанную на раскрывшемся участке ДНК. Напротив группы А, принадлежащей молекуле ДНК, располагается фрагмент будущей матричной РНК, содержащий группу У, все остальные группы располагаются друг напротив друга в точном соответствии с тем, как это происходит при образовании двойной спирали ДНК (рис. 13).

По указанной схеме образуются полимерная молекула матричной РНК, содержащая несколько тысяч мономерных звеньев.

На втором этапе матричная ДНК перемещается из ядра клетки в околоядерное пространство – цитоплазму. К полученной матричной РНК подходят так называемые транспортные РНК, которые несут с собой (транспортируют) различные аминокислоты. Каждая транспортная РНК, нагруженная определенной аминокислотой, приближается к строго обусловленному участку матричной РНК, нужное место обнаруживается с помощью все того же принципа взаимосоответствия групп А-У, и Г-Ц. В конечном итоге две аминокислоты, оказавшиеся рядом, взаимодействуют между собой, так начинается сборка будущей белковой молекулы.

Важная деталь состоит в том, что временное взаимодействие матричной и транспортной РНК проходит всего по трем группам, например, к триаде Ц-Ц-У матричной кислоты может подойти только соответствующая ей тройка Г-Г-А транспортной РНК, которая непременно несет с собой аминокислоту глицин (рис. 14). Точно также к триаде Г-А-У может приблизиться лишь набор Ц-У-А, транспортирующий только аминокислоту лейцин. Таким образом, последовательность групп в матричной РНК указывает, в каком порядке должны соединяться аминокислоты. Кроме того, система содержит в закодированном виде дополнительные регулирующие правила, некоторые последовательности из трех групп матричной РНК указывает на то, что в этом месте синтез белка должен остановиться, т.е. молекула достигла необходимой длины.

Синтез белка проходит с участием еще одного – третьего вида РНКислот, они входят в состав рибосом и потому их называют рибосомными. Рибосома, представляющая собой ансамбль определенных белков рибосомных РНК, обеспечивает взаимодействие матричной и транспортной РНК, играя роль конвейерной ленты, которая передвигает матричную РНК на один шаг после того, как произошло соединение двух аминокислот.

Основной смысл двухстадийной схемы, показанной на рис. 13 и 14, состоит в том, что полимерная цепь белковой молекулы собирается из различных аминокислот в намеченном порядке и строго по тому плану, который был записан в закодированном виде на определенном участке ДНК. Таким образом, ДНК представляет собой отправную точку всего этого запрограммированного процесса.

В процессе жизнедеятельности белки постоянно расходуются, и потому они регулярно воспроизводятся по описанной схеме, весь синтез белковой молекулы, состоящей из сотен аминокислот, проходит в живом организме приблизительно в течение одной минуты.

Первые исследования нуклеиновых кислот были проведены во второй половине 19 в., понимание того, что в ДНК зашифрована вся информация о живом организме, пришло в середине 20 в., структуру двойной спирали ДНК установили в 1953 Дж.Уотсон и Ф.Крик на основании данных рентгеноструктурного анализа, что признано крупнейшим научным достижением 20 столетия. В середине 70-х годов 20 в. появились методики расшифровки детальной структуры нуклеиновых кислот, а вслед за тем были разработаны способы их направленного синтеза. Сегодня ясны далеко не все процессы, происходящие в живых организмах с участием нуклеиновых кислот, и сегодня это одна из самых интенсивно развивающихся областей науки.

1. Сравнение механических свойств одиночных молекул ДНК со свойствами других крупных биополимеров

Структура и свойства биополимеров

Биополиме́ры — класс полимеров, встречающихся в природе в естественном виде, входящие в состав живых организмов: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды. Если представить молекулу биополимера в виде цепочки, состоящей из одинаковых звеньев, отдельное звено (мономер) в белках — аминокислота, в нуклеиновых кислотах — нуклеотид, в полисахариде — сахар, в липидах- жирные кислоты

Для молекул белков и нуклеиновых кислот характерно наличие нескольких уровней организации — первичной, вторичной, третичной, а иногда и четвертичной структур. Первичная структура определяется последовательностью мономеров, вторичная задаётся внутри- и межмолекулярными взаимодействиями между мономерами, обычно при помощи водородных связей. Третичная структура зависит от взаимодействия вторичных структур, четвертичная, как правило, образуется при обьединении нескольких молекул с третичной структурой.

Особые механические свойства:

• эластичность — способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);

• малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);

• способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и плёнок).

Особенности растворов полимеров:

• высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;

• растворение полимера происходит через стадию набухания.

Особые химические свойства:

• способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т. п.).

Белки

Вторичная структура белков образуется при взимодействии аминокислот с помощью водородных связей и гидрофобных взаимодействий. Основными типами вторичной структуры являются

• α-спираль, когда водородные связи возникают между аминокислотами в одной цепи,

• β-листы (складчатые слои), когда водородные связи образуются между разными полипептидными цепами, идущими в разных направлениях (антипараллельно,

• неупорядоченные участки

Для предсказания вторичной структуры используются компьютерные программы.

Третичная структура или «фолд» образуется при взаимодействии вторичных структур и стабилируется нековалентными, ионными, водородными связями и гидрофобными взаимодействиями. Белки, выполняющие сходные функции обычно имеют сходную третичную структуру. Примером фолда явлется β-баррел (бочка), когда β-листы располагаются по окружности. Третичная структура белков определяется с помощью рентгеноструктурного анализа.

Нуклеиновые кислоты

• Первичная структура ДНК — это линейная последовательность нуклеотидов в цепи. Как правило последовательность записывают в виде букв (например AGTCATGCCAG), причём запись ведётся с 5'- на 3'-конец цепи.

• Вторичная структура — это структура, образованная за счёт нековалентных взаимодействий нуклеотидов (в большей степени азотистых оснований) между собой, стэкинга и водородных связей. Двойная спираль ДНК является классическим примером вторичной структуры. Это самая распространенная в природе форма ДНК, которая состоит из двух антипаралельных комплементарных полинуклеотидных цепей. Антипараллельность реализуется за счёт полярности каждой из цепей. Под комплементарностью понимают соответствие каждому азотистому основанию одной цепи ДНК строго определенного основания другой цепи (напротив A стоит T, а напротив G располагается C). ДНК удерживается в Двойной спирали за счет комплементарного спаривания оснований — образования водородных связей, двух в паре А-Т и трёх в паре G-C.

Полисахариды

Полисахариды, синтезируемые живыми организмами, состоят из большого количества моносахаридов, соединённых гликозидными связями. Зачастую полисахариды нерастворимы в воде. Обычно это очень большие, разветвлённые молекулы. Примерами полисахаридов, которые синтезируют живые организмы, являются запасные вещества крахмал и гликоген, а также структурные полисахариды — целлюлоза и хитин. Так как биологические полисахариды состоят из молекул разной длины, понятия вторичной и третичной структуры к полисахаридам не применяются.

Механические свойства ДНК

Механические свойства ДНК, которые имеют непосредственное отношение к ее структуре, являются серьезной проблемой для клеток. Каждый процесс, который связывает или читает ДНК может использовать или изменять механические свойства ДНК для целей распознавания, упаковки и модификации. Свойства ДНК тесно связаны с его молекулярной структурой и последовательностью, в частности, слабость водородных связей и электронных взаимодействий, которые держат вместе нити ДНК.

Экспериментальным методом, который может непосредственно измерить механические свойства ДНК, является относительно новая, с высоким разрешением визуализация, которую бывает очень сложно получить в растворе. Тем не менее, ученые собрали большое количество данных о механических свойствах этого полимера.

Важно отметить, что найденное ДНК во многих клетках может быть макроскопических размеров в длину - несколько сантиметров, длина каждой человеческой хромосомы. Соответственно, клетки должны компактно "упаковывать" ДНК. В эукариотах это осуществляется путем подобных катушек белков, известных как гистоны, вокруг которого ДНК наматывается. Дальнейшее уплотнение этого ДНК - белкового комплекса производится по хорошо известной митотической хромосомы эукариот.

Три Конформации ДНК, как полагают, можно найти в природе, А-ДНК, В-ДНК, и Z-ДНК. "B" форма, изложенная Джеймсом Уотсон и Фрэнсисом Криком, преобладает в клетках. Двойная спираль совершает один полный оборот вокруг своей оси каждые 10.4-10.5 баз пар в растворе. Эта частота вращения в значительной степени зависит от укладки силы, так что каждая база оказывается в цепи своих соседей.

Возможны другие конформации; А-ДНК, В-ДНК, C-ДНК, D-ДНК, E-ДНК, L-ДНК, С-ДНК, S-ДНК и Z-ДНК не были описаны до сих пор. Как уже упоминалось выше, C-ДНК, ДНК-D, E-ДНК, и Р-ДНК еще не наблюдались в естественных биологических системах. Так же можно заметить, что может существовать в трое закрученная цепь ДНК.

A-ДНК-и Z-ДНК существенно различаются по своей геометрии и габаритам от B-ДНК, хотя они представлены в виде спиральных структур. Форма А, судя по всему, появляется только в обезвоженных образцах ДНК, как, например, те, которые используются в кристаллографических экспериментах, и, возможно, в гибридных парах ДНК и РНК пряди. Сегменты ДНК, которые клетки денатурируют для целей регулирования может принять Z геометрия, в которой нити закручены противоположно винтовой оси А-ДНК и B-ДНК. Существует также данные о ДНК-белковых комплексов формировании Z-ДНК структур.

Структуры A-, B-, и Z-ДНК.

Спиральные оси A-, B-, and Z-ДНК.

Многие молекулярно-биологические процессы могут привести к скручиванию штамма. ДНК сегмент с избыточно или недостаточно закрученным элементом называется положительным, соответственно, или отрицательным "сверхклубоком".

ДНК является довольно жестким полимером и обычно моделируется как цепь, похожая на червь. Она имеет три степени свободы; гибка, извилиста и компресионна, каждая из которых вызывает ограничение ДНК вне клетке.

Характеристики

Список файлов учебной работы