Фосфодиэфирные связи и нуклеотиды

Структура нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты представляют собой длинные полимеры, состоящие из нуклеотидов. Нуклеотиды, в свою очередь, состоят из нитрогенсодержащего основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты.

Состав ДНК

В состав ДНК входят четыре различных нуклеотида:

• Аденин (А)
• Цитозин (С)
• Гуанин (G)
• Тимин (T)

Структура нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты имеют два строения:

1. Первичная структура – образуется за счет гликозидной связи между нуклеотидами.
2. Вторичная структура – формируется из-за водородных связей между комплементарными основаниями.

Функциональные элементы

Важные функциональные элементы нуклеиновых кислот:

• Нуклеозиды – мономеры, из которых состоят нуклеиновые кислоты.
• Нуклеопротеины – соединения нуклеиновых кислот с белками.
• Кодоны и антикодоны – последовательности нуклеотидов, кодирующие информацию в ДНК.

Передача генетической информации

ДНК является основным носителем генетической информации. Перенос этой информации осуществляется мРНК, которая транспортирует кодированную информацию к месту синтеза белка.

Водородные связи

В молекулах ДНК водородные связи образуются между следующими парами оснований:

• А-Т
• Г-Ц
• Г-У
• Т-У

Изображение структуры ДНК

Структура ДНК представляет собой двойную спираль и отражает уникальное строение, позволяющее эффективно хранить и передавать генетическую информацию.

Структура ДНК и ее функции

В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органеллах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У прокариот и у низших эукариот (например дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов.

Структура ДНК

С химической точки зрения ДНК — длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в полимерной цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы (фосфодиэфирные связи).

Функции ДНК

Последовательность нуклеотидов позволяет кодировать информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и далее принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК содержит последовательности, выполняющие в клетках регуляторные и структурные функции. Кроме того, в геноме эукариот часто встречаются участки, принадлежащие генетическим паразитам, например транспозонам.

Структуры оснований в составе ДНК

В зависимости от концентрации ионов и нуклеотидного состава молекулы двойная спираль ДНК в живых организмах существует в разных формах. На рисунке представлены формы A, B и Z (слева направо).

Как уже было сказано выше, у подавляющего большинства живых организмов ДНК состоит не из одной, а из двух полинуклеотидных цепей. Эти две длинные цепи закручены одна вокруг друг друга в виде двойной спирали, стабилизированной водородными связями, образующимися между обращёнными друг к другу азотистыми основаниями входящих в неё цепей. В природе эта спираль, чаще всего, правозакрученная. Направления от 3-конца к 5-концу в двух цепях, из которых состоит молекула ДНК, противоположны (цепи антипараллельны друг другу).

Образование связей между основаниями

Комплементарность двойной спирали означает, что информация, содержащаяся в одной цепи, содержится и в другой цепи. Обратимость и специфичность взаимодействий между комплементарными парами оснований важна для репликации ДНК и всех остальных функций ДНК в живых организмах.

Роль химических модификаций азотистых оснований

Химические модификации азотистых оснований в ДНК играют важную роль в регуляции генной экспрессии. Например, добавление метильной группы к цитозину может привести к подавлению экспрессии определенных генов. Эти модификации могут быть унаследованы на протяжении нескольких поколений клеток.

Структуры на концах хромосом

Хромосомные концы, или теломеры, играют важную роль в стабильности генома. Они состоят из повторяющихся последовательностей нуклеотидов и защищают хромосомы от нежелательных процессов репликации и деградации.

Роль генетической информации в живых организмах

Генетическая информация в виде последовательности нуклеотидов в ДНК является основой наследственности и изменчивости организмов. Через процессы транскрипции и трансляции генетическая информация переносится на РНК и используется для синтеза белков.

Значение последовательностей генома

Не все участки генома кодируют белки. Некодирующие последовательности могут иметь важные регуляторные функции, участвовать в формировании третичной структуры хромосом и других процессах, влияющих на работу генов.

ДНК представляет собой уникальную молекулу, которая определяет разнообразие жизни на Земле. Ее структура и функции продолжают быть объектом изучения для ученых и специалистов в области генетики и молекулярной биологии.

## Генетическая информация и её выражение

Генетическая информация, закодированная в ДНК, должна быть прочитана и выражена в клетках. Этот процесс включает транскрипцию, трансляцию и синтез биополимеров.

## Транскрипция и трансляция

В процессе транскрипции ДНК переписывается на мРНК. Последовательность оснований в мРНК определяет аминокислоты белка. Генетический код, состоящий из трёхбуквенных кодонов, определяет соотношение между нуклеотидной и аминокислотной последовательностями. 

Трансляция происходит на рибосоме, где кодоны мРНК связываются с тРНК, переносящими аминокислоты.

## Генетический код

В генетическом коде 64 кодона, кодирующих 20 аминокислот. Есть также стоп кодоны, обозначающие конец белка.

### Взаимодействие с белками

ДНК взаимодействует с белками, что необходимо для её функций. Факторы транскрипции, ферменты и другие белки могут связываться со специфическими участками ДНК.

#### Структурные и регуляторные белки

Для процессов клетки ДНК должна быть раскручена. Это происходит за счет топоизомераз и хеликаз.

##### Нуклеазы и лигазы

ДНК-лигаза играет важную роль при репликации и рекомбинации ДНК.

## Эволюция метаболизма

Фосфодиестерные связи в ДНК и РНК играют важную роль в их структуре и функции, обеспечивая устойчивое соединение нуклеотидов.

### Заключение

Понимание процессов транскрипции, трансляции и взаимодействия ДНК с белками ключево для изучения генетики и эволюции метаболизма.

ДНК и РНК являются полинуклеотидами, или длинными цепями нуклеотидов, соединенных друг с другом. Нуклеотиды состоят из азотной основы (аденин, гуанин, тимин, цитозин или урацил), пентозного сахара и фосфатной молекулы (PO 3’4). В полинуклеотидной цепи нуклеотиды связаны между собой фосфодиестерами. Фосфатная связь возникает, когда фосфат образует две эстерные связи. Первая эстерная связь уже существует между фосфатной группой и сахаром нуклеотида. Вторая эстерная связь формируется путем реакции с группой гидроксила (-OH) во второй молекуле. Каждое образование эстерной связи удаляет молекулу воды.

Внутри клетки, полинуклеотид построен из свободных нуклеотидов, которые имеют три фосфатные группы, прикрепленные к 5o углерода их сахара. Эти нуклеотиды, таким образом, называют нуклеотидными трифосфатами. Во время формирования фосфатных связей, два фосфата теряются, оставляя нуклеотид с одной фосфатной группой, которая прилагается к 5o углерода по эстер связи. Вторая связь эстер формируется между молекулой фосфатов 5o нуклеотида и 3o гидроксиловой группой сахара в другом нуклеотиде. Класс ферментов, называемых полимеразы, катализируют, или ускоряют формирование фосфодиестерных связей.

Фосфатные связи в цепочке полинуклеотида образуют чередующиеся структуры сахара и фосфатных остатков, называемых сахарофосфатным позвоночником. Фосфодиестерные связи придают направленность цепочке полинуклеотида. Полинуклеотидная цепь имеет свободную фосфатнуюгруппу 5 o на одном конце и свободную 3o группу гидроксила на другом. Эти концы называются 5o концом и 3o концом, соответственно. Направленность нуклеиновых кислот необходима для репликации ДНК и синтеза РНК.

Литература для дополнительного чтения

Tags

Phosphoric Acid Molecule

Пример межмолекулярных водородных связей

Аномально высокая теплоёмкость воды, а также теплопроводность многоатомных спиртов обеспечивается многочисленными водородными связями. Одна молекула воды может образовать до четырёх классических водородных связей с соседями (с учётом бифуркатных H-связей до 5—6).

Водородные связи повышают температуру кипения, вязкость и поверхностное натяжение жидкостей. Они ответственны за многие другие уникальные свойства воды.

Водородная связь между молекулами воды обозначена чёрными пунктирными линиями. Жёлтые линии обозначают ковалентную связь, которая удерживает вместе атомы кислорода (красный) и водорода (серый).

Согласно современным представлениям, наличие водородных связей между молекулами воды приводит к возникновению так называемых водных кластеров или комплексов. Простейшим примером такого кластера может служить димер воды:

В нуклеиновых кислотах и белках

Водородная связь в значительной мере определяет свойства и таких биологически важных веществ, как белки и нуклеиновые кислоты. В частности, элементы вторичной структуры (например, α-спирали, β-складки) и третичной структуры в молекулах белков, РНК и ДНК стабилизированы водородными связями. В этих макромолекулах водородные связи сцепляют части той же самой макромолекулы, заставляя её сворачиваться в определённую форму. Например, двойная спиральная структура ДНК определяется в значительной степени наличием водородных связей, сцепляющих пары нуклеотидов, которые связывают одну комплементарную нить с другой.

Многие полимеры усилены водородными связями в их главных цепях. Среди синтетических полимеров самый известный пример — нейлон, где водородные связи играют главную роль в кристаллизации материала. Водородные связи также важны в структуре полученных искусственно полимеров (например, целлюлозы) и в многих различных формах в природе, таких как древесина, хлопок и лён.

В твердом теле

При формировании биологических мембран (особенно фосфолипидных) в клетках водородные связи играют определяющую роль, обеспечивая их векторность (направленность внешней поверхности мембран в сторону водной среды — субстрата).

• Химическая Энциклопедия. Советская Энциклопедия. — М., 1988.

• Пиментел Дж., О. Мак-Клеллан. Водородная связь, пер. с англ.. — М., 1964.

• Водородная связь. Сб. ст.. — М., 1964.

• Pauling L. The chemical bond. — N. Y., 1967.

Что такое ДНК и как она устроена? Чтобы разобраться в этом, вам не понадобится степень в области генетики. В этой статье мы подробно рассмотрим ДНК и ответим на такие вопросы: Что означает аббревиатура ДНК? Из каких элементов она состоит и какова её функция в живых организмах? Как учёные изучают молекулярную структуру ДНК? И почему о ней так много говорят в криминалистических сериалах?

Что такое ДНК?

ДНК — это молекулярная основа наследственности, то есть наследственных признаков, которые передаются из поколения в поколение в семейном древе человека. Закодированная в последовательности нуклеотидных пар, ДНК переносит генетическую информацию между поколениями живых организмов. Молекулы ДНК, присутствующие почти в каждой живой клетке, являются одними из крупнейших молекул, известных науке.

ДНК представляет собой линейный биополимер, сложную биомолекулу в форме двойной спирали. Известно, что полимеры состоят из мономеров и в ДНК эти мономеры называются нуклеотидами или азотистыми основаниями. Ферменты, взаимодействующие с молекулами ДНК, часто называют «полимеразами», где суффикс -аза- указывает на то, что это фермент.

Когда молекулы не подвергаются репликации (делению), ДНК свободно плавают в цитоплазме клетки. Это делает их доступными для вспомогательных молекул, которые организуют и ремонтируют ДНК. Однако когда клетки реплицируются, ДНК формирует организованные структуры, называемые хромосомами. Представители одного и того же вида обычно имеют достаточно схожую ДНК, то есть одинаковые хромосомы и аутосомы (хромосомы не кодирующие половые признаки).

В своей структуре ДНК содержит шаблоны для синтеза аминокислот, белков, липидов, сахаров и всех остальных биомолекул, которые производит организм. Участки молекул ДНК, несущие эту генетическую информацию, называются генами. Геном человека – это совокупность всех его генов.

Из чего состоит ДНК?

Цепочки ДНК и РНК различаются по длине от менее двух десятков пар оснований до более чем 200 миллионов. Нуклеотиды представляют собой комбинацию пятиуглеродного сахара рибозы с фосфатной группой и одной из пяти возможных нуклеобаз: аденина, гуанина, цитозина, тимина и урацила. (В ДНК используется тимин, в РНК – урацил).

Два нуклеотида вместе образуют пару оснований; сахара и фосфаты образуют "позвоночник", на который нанизываются пары оснований. Полностью собранная последовательность пар оснований представляет собой сложную молекулу, называемую нуклеиновой кислотой.

Живые организмы постоянно создают новые клетки или восстанавливают старые. Для этого им приходится делать копии своего генетического материала, который клетки разархивируют, копируют, а затем повторно заархивируют с помощью функциональных белков, называемых ферментами. Но ферменты часто работают на АТФ, энергетической валюте, которая может быть дефицитной, поэтому вместо ковалентных связей, которые более постоянны, поэтому вместо ковалентных связей, которые более постоянны, так как требуют больше энергии для разрушения, нити ДНК удерживаются вместе с помощью тонких водородных связей между основаниями в паре оснований.

«Двойная спираль» ДНК относится к физической форме молекулы, антипараллельной катушке. Представьте себе молнию, свернутую в спираль, как старый телефонный шнур. В этой аналогии нуклеотиды — это зубцы молнии; сахарофосфатный "позвоночник" — это ткань, к которой прикреплены зубы.

Из-за формы нуклеиновых оснований и ферментов, которые с ними работают, существуют строгие правила относительно того, какое азотистое основание с каким может образовывать пары. Аденин и гуанин представляют собой молекулы с двойным кольцом, называемые пуринами, а цитозин, тимин и урацил представляют собой пиримидины: одиночные кольца. Чтобы сохранить упорядоченную структуру, одиночные кольца на одной нити могут соединяться только с двойными кольцами на другой. Благодаря этому молекула ДНК сохраняет форму ленты одинаковой ширины.

Что означает слово ДНК?

Аббревиатура ДНК расшифровывается как дезоксирибонуклеиновая кислота. Нуклеиновые кислоты названы в честь места их обнаружения — внутри ядер клеток, а также с наличием кислотных фосфатных групп, обнаруженных в растворе, где присутствует ДНК. В структуре ДНК и РНК используется один и тот же пятиуглеродный сахар – рибоза.

В полном названии ДНК "дезокси" означает, что на одной стороне пары оснований есть место, куда может присоединиться другая пара оснований с помощью комплементарной функциональной группы, как кирпичики Lego или обычный замок и ключ.

Кто открыл ДНК? Как и когда она была обнаружена?

К концу 1800-х годов хирурги и другие медицинские работники при изучении под микроскопом бинтов и образцов тканей обнаружили нечто в ядрах клеток и назвали это «нуклеином». Биохимики вскоре обнаружили, что нуклеин состоит из смеси сахаров, фосфатных групп и совершенно другого типа биомолекул: нуклеотидов.

К тому времени, когда разразилась Вторая мировая война, ученые использовали дифракцию рентгеновских лучей, которая изучает сложные закономерности рассеяния света различными молекулами, для изучения структуры ДНК.

https://youtube.com/watch?v=L9NriBoubWE%3F%26wmode%3Dopaque%26rel%3D0

В 1955 году Фредерик Сэнгер сообщил, что белки создаются по определенному шаблону. Фрэнсис Крик посещал лекции Сэнгера, и в 1958 году Крик опубликовал аргумент, согласно которому последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК является важной матрицей для построения аминокислот и функциональных белков. В настоящее время ученые пользуются огромной общедоступной базой данных полностью секвенированных геномов всех ветвей древа жизни благодаря десятилетиям работы таких исследователей, как Уильям Эстбери, Розалинд Франклин, Рэймонд Гослинг, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик.

Как ДНК может помочь в раскрытии преступлений?

Почти все живые клетки содержат ДНК, и каждое живое существо имеет свой уникальный геном. Поскольку ДНК настолько уникальна, не существует двух индивидов у которых ДНК будет идеально совпадать — даже однояйцевые близнецы имеют несколько разные последовательности, с вариациями, называемыми однонуклеотидными полиморфизмами или SNP. Куда бы мы ни пошли, мы оставляем крошечные следы генетического материала в волосах и на краях кофейных чашек.

Можно амплифицировать (размножить) небольшое количество генетического материала в гораздо больший образец, предоставив необработанные нуклеиновые основания и образец матричной ДНК ферментам репликации ДНК бактерий. Поскольку ферменты представляют собой маленькие молекулярные машины, циклического нагревания достаточно, чтобы заставить их выполнять работу по репликации ДНК. Этот процесс называется ДНК-полимеразной цепной реакцией (ПЦР). (Если это вам знакомо, то это потому, что тестирование на COVID с помощью ПЦР стало популярным во время пандемии.)

С помощью ДНК-анализа можно идентифицировать жертв несчастных случаев или массовых катастроф, сравнив их образцы ДНК с биоматериалом родственников.

Что такое секвенирование ДНК?

Секвенирование ДНК — это процесс определения последовательности пар оснований в образце ДНК. Ученые используют различные подходы для секвенирования образцов ДНК, включая секвенирование по Сэнгеру, случайное фрагментное секвенирование и нанопоровый метод.

Различные методы секвенирования ДНК имеют разные преимущества. Секвенирование по Сэнгеру использует электрофорез для прохождения молекул ДНК через гель-фильтр, создавая характерные «отпечатки пальцев». согласно их длине. Однако гель-электрофорез не имеет такого разрешения, как другие методы, позволяющие секвенировать геном по отдельным парам оснований. Секвенирование методом «фрагментирования» может заново собрать сильно фрагментированный геном из перекрывающихся сегментов ДНК разной длины, но с более крупными фрагментами длиной в десятки тысяч пар оснований он не справляется.

Новые методы секвенирования, такие как метод нанопор, позволяют считывать гораздо более длинные последовательности ДНК. При секвенировании нанопор датчики отслеживают электрический заряд полупроницаемой мембраны, усеянной углеродными нанотрубками, которые образуют крошечные поры. Когда молекула ДНК проходит через нанопору, каждое нуклеиновое основание вызывает характерные колебания тока, что приводит к крошечной вспышке света одного из четырех цветов, соответствующих четырем азотистым основаниям в молекуле. Для сравнения, вместо измерения электрического тока при секвенировании "Illumina" используются флуоресцентные химические индикаторы, нанесенные на микрофлюидный чип.

Что такое эпигеном?

Поскольку не все гены постоянно «включены», только некоторые участки генома могут быть транслированы в белок. Остальные плотно свернуты вокруг веретенообразных структур, называемых центромерами. Однако ДНК, подвергающаяся воздействию цитоплазмы, подвергается воздействию всего остального, что циркулирует в цитоплазме. Некоторые небольшие молекулы связываются с активной ДНК, образуя своего рода химическую запись, подобную заметкам на полях книги. Эти крошечные химические маркеры и гены, которые они аннотируют, в совокупности называются эпигеномом ("эпи" = вокруг).

В процессе передачи генетической информации по наследству одни эпигенетические метки удаляются, другие сохраняются. Анализируя эпигеном, можно сделать выводы о биохимических условиях, в которых жил живой организм, определив одновременно активные гены.

Какое отношение ДНК имеет к эволюции?

Каждый раз, когда клетка реплицирует новую молекулу ДНК, у нее появляется новый шанс совершить ошибку. Иногда эти ошибки полезны, но чаще – приводят к поломке белков и потере функций. Тем не менее, они всегда оставляют запись об изменении генетической последовательности.

Поскольку почти все процессы, связанные с ДНК, в том числе её репликация и репарация, осуществляются при участии белков, то можно мысленно повернуть эволюционные часы вспять, оценив скорость накопления мутаций ДНК между поколениями одного вида. Таким образом ДНК служит доказательством эволюции и позволяет ученым проследить изменения внутри вида с течением времени.