Нуклеїнові кислоти

Вивчення хімічного складу і структурної будови нуклеїнових кислот. Характеристика відмінних рис дезоксирибонуклеїнових кислот (ДНК) і рибонуклеїнові кислоти (РНК). Хімічні зв'язки, властивості і функції нуклеїнових кислот, їх значення в живих організмах.

Рубрика Химия
Вид реферат
Язык украинский
Дата добавления 14.12.2012
Размер файла 1,2 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Вірусні РНК. Вірусні РНК є складовою частиною РНК-вмісних вірусів і фагів. На відміну від більшості клітин про- та еукаріот геном вірусів, як правило, організований за участю одного виду нуклеїнових кислот. У зв'язку з цим розрізняють. ДНК- та РНК-вмісні віруси. На відміну від канонічних форм біополімерів клітини (дволанцюгова ДНК і одноланцюгова РНК), будова, властивості та просторова орієнтація компонентів вірусного геному можуть бути найрізноманітнішими. Молекули вірусних РНК відрізняються між собою молекулярною масою - від сотень тисяч до десятків мільйонів, якісним складом, кількісним вмістом та чергуванням мононуклеотидних ланок у полінуклеотидному ланцюгу (первинною структурою), способом укладання молекули в просторі та здатністю до передачі генетичної інформації. Високомолекулярні вірусні РНК зі значеннями молекулярної маси наближаються до значень молекулярної маси, характерних для ДНК.

Первинна структура вірусних РНК досить різноманітна і значною мірою визначає як просторове укладання полінуклеотилного ланцюга, так і до певної міри характер патогенної дії.

Просторову структуру вірусних РНК можна представити одноланцюговими лінійними формами, які закручуються самі на себе (віруси поліомієліту і корі), одноланцюговими кільцевими формами (бунья-віруси), дволанцюговими молекулами (рота-віруси гастроентеритів) тощо. Майже 80% вірусів людини і тварин належать до так званих РНК-геномних вірусів, у яких генетична інформація закодована в чергуванні мононуклеотидних ланок на структурі РНК, тобто вірусна РНК виконує роль носія генетичної інформації. Однак не всі молекули вірусних РНК забезпечують передачу закодованої в них генетичної інформації і в процесі трансляції можуть виконувати роль матриці при синтезі білка. Це стосується вірусів з негативним геномом, у яких роль матриці виконує не сама вірусна РНК, а її реплікативна копія (реплікативна форма), що утворюється при дії ферменту транскриптази. Реплікативні форми вірусної РНК існують у вигляді дволанцюгових РНК (РНК-фрагментів). Прикладом може бути велика кількість вірусів, що викликають інфекційні захворювання людини і тварин.

Особливу групу реплікативних форм складають вірусні РНК, що входять до складу геному неопластичних вірусів, які спричиняють розвиток таких захворювань, як лейкемія, рак, саркома. Це так звані ретро-віруси, які передають генетичну інформацію за рахунок утворення РНК ДНК реплікативних форм, ланцюг ДНК яких реплікується з утворенням дволанцюгової ДНК, що несе інформацію, одержану від вірусних РНК, і далі інтегрується в геном інфікованих клітин, що разом з іншими факторами може викликати розвиток неопластичних процесів.

Для вірусних РНК характерними є вищі рівні структури, які забезпечують компактне укладання їхніх молекул. Про існування вищих рівнів структури вірусних РНК свідчить той факт, що якби молекули високомолекулярних вірусних РНК існували в лінійній формі, то довжина б їх була значно більшою, ніж довжина клітин, в яких вони виявляють патогенну дію. Встановлено, що залежно від умов середовища (значення рН, іонної сили, температури) вірусні РНК можуть знаходитись у вигляді компактної палички, пухкого клубка чи розгорнутої нитки.

5. Властивості нуклеїнових кислот

Нуклеїнові кислоти - це речовини білого кольору, волокнистої будови, погано розчинні у воді. їх солі (лужних металів) добре розчинні у воді. Нуклеїнові кислоти розчиняються також у розчинах солей: РНК - у розбавлених, а ДНК - у більш концентрованих.

Оскільки молекули нуклеїнових кислот асиметричні, то їх розчини мають високу в'язкість. В'язкість розчинів нуклеїнових кислот використовується для характеристики дволанцюгових ДНК, зокрема їх молекулярної маси. Так, відносна в'язкість 0,01%-го розчину ДНК з молекулярною масою (5 - 10) * 106 близька до 1,5. Таку ж приблизно в'язкість мають розчини ДНК, в яких концентрація нуклеїнової кислоти в п'ять разів більша, а молекулярна маса значно менша - 0,3 * 106. Руйнування водневих зв'язків у ДНК і розкладання її на два полінуклеотидні ланцюги приводить до зниження в'язкості розчинів.

Для нуклеїнових кислот характерна також висока оптична активність. Їх розчини здатні обертати площину поляризації світла вправо на певний кут (позначається знаком плюс). Він помітно зменшується по мірі зменшення ступеня впорядкованості полінуклеотидних ланцюгів. Так, питома активність розчинів біспіральної ДНК дорівнює 150°. Для розчинів мономерних нуклеотидів, одноланцюгових РНК і ДНК при тій же довжині хвилі питома активність у 4 - 6 разів менша. Отже, даний показник є важливим критерієм наявності в нуклеїнових кислотах спіральних і дволанцюгових ділянок.

Усі нуклеїнові кислоти мають здатність поглинати світло в ультрафіолетовій області з максимумом 260 нм. Порушення нативності нуклеїнових кислот супроводжується підвищеним поглинанням світла, тобто має місце так званий гіпохромний ефект. Він залежить від, вмісту в складі нуклеїнових кислот азотистих пар - А-Т. Гіпохромний ефект найбільш характерний для дволанцюгових нуклеїнових кислот, зокрема ДНК. Наявність гіпохромності є однією з важливих ознак утворення дволанцюгових, спіралізованих ділянок у нуклеїнових кислотах. Одноланцюгові нуклеїнові кислоти, в яких спіралізація нуклеотидних ланцюгів незначна, мають гіпохромний ефект дуже малої величини. В зв'язку з цим гіпохромний ефект використовується при вивченні процесів денатурації і ренатурації нуклеїнових кислот, утворенні гібридних спіралей ДНК - РНК тощо.

Денатурація і ренатурація нуклеїнових кислот. Нуклеїнові кислоти мають здатність до денатурації. Даний процес полягає в розриві водневих і вандерваальсових зв'язків, в деспіралізації та розходженні полінуклеотидних ланцюгів ДНК і двоспіральних ділянок молекул РНК. Денатурацію нуклеїнових кислот можуть викликати кислоти, луги, спирти тощо. Внаслідок денатурації кожний із полінуклеотидних ланцюгів молекули нуклеїнової кислоти набуває форми клубка, скрученого безладно. Тому даний процес ще називають переходом спіраль - клубок.

Денатурація нуклеїнових кислот супроводжується зміною цілого ряду їх фізичних властивостей. Так, підвищується поглинання світла в області 260 нм, зменшуються в'язкість розчинів і кут обертання площини поляризації.

Під час денатурації нуклеїнових кислот наступає такий момент, коли кількість спіралізованих ділянок дорівнює кількості неспіралізованих.

Температуру, при якій настає така рівновага, називають температурою плавлення. Температура плавлення нуклеїнових кислот підвищується із збільшенням довжини молекули полінуклеотиду, а також із підвищенням вмісту (%) в ньому пар азотистих основ Г-Ц. Вважають, що пари азотистих основ у молекулах ДНК утворюють термостабільні ланки або ядра, і підвищують їх стійкість проти денатурації, і, навпаки, молекули ДНК, які містять більшу кількість пар азотистих основ (А-Т), легше піддаються денатурації.

Для вивчення біологічної ролі і функції ДНК в організмі важливе значення має вияснення причин і умов, за яких може відбуватися відновлення нативної двоспіральної структури ДНК. У результаті, досліджень було встановлено, що при підвищенні температури приблизно на 5°С вище температури плавлення ланцюги денатурованої ДНК розходяться. Якщо розчин таких ДНК різко охолодити, то полінуклеотидні ланцюги так і залишаються розділеними, а якщо охолодження такого розчину проводити поступово, то внаслідок рекомбінації відбувається ренатурація (відновлення) подвійної спіралі ДНК (рис. 8).

Рис. 8. Денатурація і ренатурація ДНК

Процес ренатурації молекул ДНК залежить від їх розмірів, кількості азотистих пар Г-Ц та інших факторів. Так, ДНК вірусів і бактерій, яка за своєю будовою більш проста, ніж ДНК вищих організмів, піддається ренатурації значно легше. Позитивно впливає на процес ренатурації також підвищення кількості пар Г-Ц. При ренатурації ДНК відновлюються її біологічні та фізико-хімічні властивості.

Гібридизація ДНК. Встановлено, що полінуклеотидні ланцюги денатурованих ДНК можуть взаємодіяти на основі принципу комплементарності з одноланцюговими РНК або ДНК, які належать іншим організмам. Такий вид ренатурації називається молекулярною гібридизацією. Вважають, що для утворення гібридної молекули ДНК достатньо, щоб у полінуклеотидних ланцюгах містилось близько 12 комплементарних пар азотистих основ. Чим більше буде комплементарних пар, тим вищим буде вміст (%) біспіральних ділянок у гібридній молекулі ДНК.

Відкриття процесу гібридизації ДНК має важливе значення для вивчення первинної структури різних видів нуклеїнових кислот, а також для наукових досліджень у галузі генної інженерії.

Хімічні реакції нуклеїнових кислот. Мутагени. У зв'язку з наявністю в азотистих основах і пентозах нуклеїнових кислот різних функціональних груп вони можуть вступати в різні хімічні реакції. Це призводить до видозміни основ, що впливає на структуру і функції нуклеїнових кислот. Так, наприклад, аміногрупи азотистих основ можуть взаємодіяти з азотистою кислотою. При цьому замість групи -NН2 утворюється група -ОН: -N=C-ОН. Далі енольна форма переходить в кетоформу: -NH-СО-. Отже, азотиста кислота при взаємодії з нуклеїновими кислотами перетворює цитозин на урацил, а аденін і гуанін відповідно на гіпоксантин і ксантин, тому вона є ефективним хімічним мутагеном.

Аналогічну мутагенну дію має гідроксиламін, який вступає в реакцію з карбонільними групами азотистих основ, зокрема з піримідиновими, що приводить до перетворення одного виду основ в інші. Крім того, високу мутагенну дію мають алкілуючі агенти, наприклад нітрозамін.

Ці сполуки мають високу канцерогенну дію. Нітрозаміни можуть утворюватися при взаємодії будь-якого вторинного аміну з азотистою кислотою.

Така реакція може відбуватися і в шлунку людини, де нітрозаміни легко всмоктуються і можуть викликати злоякісні пухлини в різних органах і тканинах організму.

Значний інтерес становить взаємодія нуклеїнових кислот з окремими поліциклічними ароматичними (основними) барвниками, зокрема з акридиновим оранжевим, профлавіном і т.д. Вибірково зв'язуючись з ДНК або РНК, вони дають можливість легко їх виявляти. В останній час ці барвники набули важливого значення як мутагени, які мають селективну дію. Вони здатні викликати вставки, або делеції (включення або випадання окремих одиночних нуклеотидів), при реплікації ДНК, отже пригнічувати її.

Нуклеїнові кислоти під дією кислот піддаються гідролізу. Глікозидні зв'язки в ДНК більш лабільні, ніж у РНК. Нуклеотиди, які містять пуринові основи, піддаються гідролізу легше, ніж нуклеотиди з піримідиновими основами. Отже, ковалентна структура молекул нуклеїнових кислот досить стійка, що дає можливість їм виконувати функцію генетичного матеріалу.

Репарація пошкоджень ДНК. Пошкодження ДНК, які зумовлені дією різних хімічних і фізичних факторів, можуть бути репаровані (виправлені) за участю спеціальних механізмів („ремонтних систем”). Наприклад, при дії ультрафіолетового випромінювання на ДНК утворюються тимінові димери внаслідок взаємодії між собою в одному ланцюзі ДНК сусідніх тимінових залишків з утворенням циклобутанового кільця:

Утворення тимінових димерів порушує структуру ДНК і тим самим блокує її реплікацію. Цим, очевидно і пояснюється летальна та мутагенна дії ультрафіолетового випромінювання на живі організми.

Для виправлення пошкоджень ДНК у живих системах існує декілька механізмів, зокрема фотореактивація, ексцизійна і постреплікативна репарації.

Фотореактивація відбувається внаслідок дії світла. При цьому відбувається активація фотореактивного ферменту (ДНК-фотолази), який розщеплює димери на мономери і відновлює водневі зв'язки між тиміном і аденіном комплементарних полінуклеотидних ланцюгів ДНК. Ексцизійна і постреплікативна репарації не залежать від наявності світла і тому їх ще називають темповою репарацією. Ці два види репарації дещо між собою подібні.

При ексцизійній репарації (від лат. excisio - вирізання) видаляються пошкоджені ділянки ДНК за участю цілого комплексу ферментних систем (рис. 9).

Так, спочатку діє фермент ендонуклеаза, яка ніби розрізає полінуклеотидний ланцюг ДНК, на якому є пошкодження нуклеотидів. Потім починає діяти фермент екзонуклеаза, яка видаляє пошкоджену частину нуклеотидного ланцюга. На цьому місці за участю ферменту ДНК-полімерази в напрямі 5'3' заново синтезується частина комплементарного полінуклеотндного ланцюга з непошкодженими нуклеотидами.

Далі вільні кінці старої частини полінуклеотидного ланцюга, за участю ферменту лігази, з'єднуються з кінцями заново синтезованої частини полінуклеотидного ланцюга.

Отже, клітини організмів містять цілі набори ферментів, які переміщаються по подвійних спіралях ДНК, відновлюють їх пошкодження і цим самим сприяють зменшенню появи частоти мутацій.

Рис. 9. Схема ферментативної репарації ДНК

6. Функції нуклеїнових кислот

Нуклеїнові кислоти в організмі виконують різноманітні функції, але найважливішими серед них є участь у передачі спадкових ознак і процесах біосинтезу білка. Основними носіями генетичної інформації в більшості організмів є ДНК. Винятком є тільки окремі фаги, дрібні віруси тварин і більшість рослинних вірусів, в яких носіями генетичної інформації є молекули РНК.

Основна кількість ДНК зосереджена в ядрах. Ядра тваринних клітин містять близько 2 мг ДНК на 1 г сирої маси тканини. Вміст ДНК у клітинах залежить в основному від числа набору в них хромосом. Бактеріальні клітини містять в сотні разів менше ДНК, ніж тваринні.

Передача генетичної інформації від покоління до покоління здійснюється при самовідтворенні копій батьківських ДНК. Цей процес називається реплікацією (рис. 10). Так під час поділу клітин обидва полінуклеотидні ланцюги ДНК, які обвиті по спіралі навколо однієї спільної осі, розкручуються і розходяться. Після того як кожний із ланцюгів розкрутиться, він добудовує собі подібний полінуклеотидний ланцюг (за принципом комплементарності). Механізм реплікації ДНК описано вище.

Рис. 10. Схема реплікації ДНК

У результаті реплікації з однієї молекули утворюється дві нові цілком однакові молекули ДНК, одна з яких залишається в материнській клітині, а друга - переходить у дочірню. Якщо до цього додати, що в ДНК сконцентрована спадкова інформація (у вигляді триплетного коду), то стає зрозумілою та функція, яку відіграє ДНК у передачі спадкових ознак від покоління до покоління.

Реплікація так само, як і будь-який інший процес побудови і розкладання в організмі, відбувається за допомогою цілого ряду ферментів і тісно пов'язана з обміном речовин. Генетична роль ДНК встановлена після проведення дослідів на бактеріях різних типів з різними властивостями. Наприклад, з одного типу бактерій виділяли чисту ДНК і діяли нею на інший тип бактерій, при цьому останні набували властивостей, характерних для тих бактерій, з яких було виділено ДНК.

Отже, ДНК є субстратом, за допомогою якого здійснюється передача спадкових ознак. Спадкова інформація організму закладена і зберігається в самій молекулярній структурі ДНК, а реалізується (виявляється) у процесі біосинтезу білка. При біосинтезі білка певну роль відіграють не тільки ДНК. а й різні види РНК. Встановлено, що РНК міститься в усіх клітинах організму. Однак їх кількість залежить від типу клітин, виду тканини, віку і фізіологічного стану організму. У клітинах, які інтенсивно розмножуються і ростуть, вміст РНК високий. Після старіння організму і зниження темпів росту, концентрація РНК у клітинах зменшується. Оскільки процеси росту і розмноження передусім пов'язані із збільшенням маси білка цитоплазми, то це свідчить про тісний взаємозв'язок між РНК і біосинтезом білка в клітинах. У результаті досліджень було доведено, що клітини, в яких відбувається інтенсивний синтез білка, характеризуються високим вмістом РНК. Наприклад, велику кількість РНК знайдено в залозах, які продукують білки - гормони або ферменти (підшлункова, залози травного каналу).

Необхідно зауважити, що основна кількість клітинної РНК (до 80%) зосереджена в рибосомах, тобто в тих компонентах клітин, в яких відбувається біосинтез білка. У рибосомах міститься переважно рибосомальна РНК. Інші види зосереджені частково в ядрі, а частково в цитоплазмі.

Встановлено, що всі три види рибонуклеїнових кислот беруть участь у біосинтезі білка. При цьому кожний з них виконує свою функцію. Так, іРНК одержує інформацію про специфічність біосинтезу білка в ядрі від ДНК і переносить її до рибосом, тРНК переносить активовані амінокислоти до місця біосинтезу білка. Роль рибосомальних РНК в синтезі ще повністю не з'ясована. Вважають, що вони створюють клітинну структуру - рибосоми, на яких відбувається синтез білка. Не виключено, що рибосомальні РНК виконують і ряд інших функцій у процесі синтезу білка. ДНК, на відміну від РНК, бере участь у цьому процесі не безпосередньо, а через іРНК. Вона відіграє основну роль у визначенні специфічності біосинтезу білка.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Загальна характеристика і склад нуклеопротеїдів. Нуклеїнові кислоти – природні біополімери. Структурні елементи нуклеїнових кислот: нуклеозид; нуклеотид; нуклеїнова кислота. Класифікація і будова нуклеїнових кислот. Біологічна роль нуклеїнових кислот.

    реферат [35,2 K], добавлен 25.02.2009

  • Нуклеїнові кислоти як біополімери, їх значення та склад макромолекул. ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота): вміст однакового числа пурінових і пірімідінових основ. Макромолекулярна структура. Аналіз індивідуальних РНК (рібонуклеотидів), довжина ланцюгів.

    реферат [320,7 K], добавлен 30.03.2009

  • Поняття карбонових кислот як органічних сполук, що містять одну або декілька карбоксильних груп COOH. Номенклатура карбонових кислот. Взаємний вплив атомів у молекулі. Ізомерія карбонових кислот, їх групи та види. Фізичні властивості та застосування.

    презентация [1,0 M], добавлен 30.03.2014

  • Характеристика лимонної кислоти та способів її отримання. Аналіз принципів і способів отримання оцтової кислоти. Властивості і застосування ітаконової кислоти. Біологічний синтез лимонної, оцтової та ітаконової кислоти, особливості і умови даних процесів.

    курсовая работа [119,9 K], добавлен 26.08.2013

  • Диссоциирование кислот на катион водорода (протон) и анион кислотного остатка в водных растворах. Классификация кислот по различным признакам. Характеристика основных химических свойств кислот. Распространение органических и неорганических кислот.

    презентация [442,5 K], добавлен 23.11.2010

  • Характеристика кінетичних закономірностей реакції оцтової кислоти та її похідних з епіхлоргідрином. Встановлення впливу концентрації та структури каталізатору, а також температури на швидкість взаємодії карбонової кислоти з епоксидними сполуками.

    магистерская работа [762,1 K], добавлен 05.09.2010

  • Сущность и состав кислот, их классификация по наличию кислорода и по числу атомов водорода. Определение валентности кислотных остатков. Виды и структурные формулы кислот, их физические и химические свойства. Результаты реакции кислот с другими веществами.

    презентация [1,7 M], добавлен 17.12.2011

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.