Нуклеотид является структурным компонентом чего
Нуклеотид
Нуклеоти́ды — фосфорные эфиры нуклеозидов, нуклеозидфосфаты. Свободные нуклеотиды, в частности АТФ, цАМФ, АДФ, играют важную роль в энергетических и информационных внутриклеточных процессах, а также являются составляющими частями нуклеиновых кислот и многих коферментов.
Содержание
Строение
Нуклеотиды являются сложными эфирами нуклеозидов и фосфорных кислот. Нуклеозиды, в свою очередь, являются N-гликозидами, содержащими гетероциклический фрагмент, связанный через атом азота с C-1 атомом остатка сахара.
Фосфатный остаток в нуклеотидах обычно образует сложноэфирную связь с 2′-, 3′- или 5′-гидроксильными группами рибонуклеозидов, в случае 2′-дезоксинуклеозидов этерифицируются 3′- или 5′-гидроксильные группы.
Номенклатура
| Код | Означает | Комплемен- тарная пара |
|---|---|---|
| A | A | T в ДНК; U в РНК |
| C | C | G |
| G | G | C |
| T или U | T в ДНК; U в РНК | A |
| M | A или C | K |
| R | A или G | Y |
| W | A или T | W |
| S | C или G | S |
| Y | C или T | R |
| K | G или T | M |
| V | A или C или G | B |
| H | A или C или T | D |
| D | A или G или T | H |
| B | C или G или T | V |
| X или N | A или C или G или T (U) | любой |
Соединения, состоящие из двух нуклеотидовых молекул, называются динуклеотидами, из трёх — тринуклеотидами, из небольшого числа — олигонуклеотидами, а из многих — полинуклеотидами, или нуклеиновыми кислотами.
Названия нуклеотидов представляют собой аббревиатуры в виде стандартных трёх- или четырёхбуквенных кодов.
Если аббревиатура начинается со строчной буквы «д» (англ. d ), значит подразумевается дезоксирибонуклеотид; отсутствие буквы «д» означает рибонуклеотид. Если аббревиатура начинается со строчной буквы «ц» (англ. c ), значит речь идёт о циклической форме нуклеотида (например, цАМФ).
Первая прописная буква аббревиатуры указывает на конкретное азотистое основание или группу возможных нуклеиновых оснований, вторая буква — на количество остатков фосфорной кислоты в структуре (М — моно-, Д — ди-, Т — три-), а третья прописная буква — всегда буква Ф («-фосфат»; англ. P ).
Латинские и русские коды для нуклеиновых оснований:
История
В домолекулярной генетике для обозначения наименьшего элемента в структуре ДНК, который может быть подвержен спонтанной или индуцированной мутации, применялся особый термин рекон. В настоящее время показано, что таким наименьшим элементом является один нуклеотид (или одно азотистое основание в составе нуклеотида), поэтому данный термин более не употребляется. Для определения понятия единица мутации применялся термин мутон. В настоящее время показано, что фенотипически мутация может проявляется даже при замене одного нуклеотида (или азотистого основания в составе нуклеотида), таким образом, термин мутон соответствует одному нуклеотиду.
Что такое нуклеотид в биологии?
Молекула нуклеотида имеет в своем составе сахар, фосфат и азотистую основу. Как эти простые компоненты позволяют нуклеотидам объединяться вместе, чтобы создавать такие полимеры, как ДНК и РНК, а также молекулы, несущие энергию, такие как АТФ?
Нуклеотиды: часть структуры ДНК
Что такое нуклеотид? Чтобы это понять, нужно представить себе ДНК. Попав в ядро клетки и распутав хромосомы, можно увидеть тонкую двойную нить. При масштабировании можно увидеть, что каждая из этих нитей состоит из небольших строительных блоков, называемых нуклеотидами.
Если ДНК выглядит как скрученная лестница, каждый строительный блок или нуклеотид включает половину ступени и немного вертикальной части лестницы. Другая половина ступени относится к соседней цепочке ДНК. Нуклеотиды также могут существовать сами по себе или быть частью других важных молекул, помимо ДНК. Например, энергетический носитель АТФ представляет собой форму нуклеотида.
Компоненты нуклеотида
В состав нуклеотида входят такие компоненты, как азотистая основа, сахар и один или несколько фосфатов. Стоит рассмотреть каждый их них более подробно:
Типы нуклеотидов
Когда нуклеотиды полимеризуются или объединяются вместе, они образуют нуклеиновую кислоту, такую как ДНК или РНК. Каждый нуклеотидный фосфат присоединяется к другому сахару, образуя сахар-фосфатную основу с азотистыми основаниями. Нуклеозид является частью нуклеотида, который состоит только из сахара и основания. Таким образом, мы можем говорить о нуклеотиде как о нуклеозиде и фосфатах:
Какие различают типы нуклеотидов, какова их структура и как изменение одного нуклеотида может повлиять на выживание организма?
ДНК человека состоит из нуклеотидов, которые в основном представляют собой субэлементное измерение ДНК, выстраиваемое парами. Есть около 3 миллиардов этих пар, также называемых парами оснований. Какое можно дать определение нуклеотиду? Каждый сперматозоид и каждая яйцеклетка содержат примерно шесть миллиардов отдельных нуклеотидов в своем ядре, которые организованы в компактные молекулы ДНК. Это облегчает их хранение и перемещение.
Итак, что такое нуклеотиды? Они действуют как особый язык, который используется для написания рецептов химических веществ, создаваемых вашим организмом, в частности белков. Большинство участков нуклеотидов называют нежелательной ДНК, потому что они ничего не кодируют. Тем не менее есть небольшая доля, которая имеет решающее значение для вашего выживания и делает вас такими, какие вы есть. Этот 2 % кода нуклеотидов для каждого белка, который ваш организм производит и имеет на участках ДНК, называемых генами. Каждый ген кодирует цепь аминокислот, которая приводит к образованию определенного белка.
Мутации, которые являются изменениями в ДНК-клетки, с участием одного нуклеотида, могут показаться тривиальными, учитывая, что в геноме человека так много нуклеотидов, но, когда они происходят на определенных генах, они могут привести к опасным для жизни заболеваниям. Чтобы лучше понять этот механизм, нужно сначала взглянуть на некоторые основы нуклеотидов.
Структура нуклеотидов
Нуклеотиды представляют собой мономеры (или строительные блоки) нуклеиновых кислот и состоят из 5-углеродного сахара, фосфатной группы и азотистого основания. Как уже было сказано, сахар и основание вместе образуют нуклеозид. Добавление фосфатной группы превращает молекулу в нуклеотид. Нуклеотиды называются в соответствии с азотистым основанием, которое они содержат, и сахаром, присоединенным к нему (например, дезоксирибозой в ДНК-нуклеотидах и рибозе в РНК). Какие нуклеотиды в ДНК и РНК? Всего существует восемь различных нуклеозидов в ДНК и РНК:
Существуют и другие важные нуклеотиды, такие как те, которые участвуют в метаболизме (например, АТФ) и клеточной передаче сигналов (например, ГТФ).
Связывание нуклеотидов
Для создания цепей полимера (или нескольких единиц), которые приводят к образованию РНК и ДНК, нуклеотиды соединяются друг с другом через сахарофосфатный скелет, который образуется, когда фосфат одного нуклеотида присоединяется к сахару другого. Это возможно благодаря сильным ковалентным связям, называемым фосфодиэфирными связями.
Поскольку ДНК представляет собой двухцепочечную молекулу, две из этих полимерных цепей должны присоединяться друг к другу, как лестница. «Ступеньки» состоят из пар нуклеотидов, которые соединяют две стороны лестницы с помощью водородных связей. Что такое нуклеотид? Это структурная единица ДНК, которая состоит из азотистого основания и сахар-фосфатной основной цепи, состоящей из фосфатной группы и сахара. ДНК состоит из многих нуклеотидов, которые содержат и защищают генетические коды организма.
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты являются биополимерами, которые наряду с белками играют важную роль в клетках всех живых организмов. Эти соединения ответственны за хранение, передачу и реализацию наследственной информации. Что такое нуклеотиды? Это мономеры нуклеиновых кислот.
Между частями нуклеотида возникают ковалентные химические связи, которые образуются в результате реакций конденсации. Такие реакции являются обратными гидролизу. Интересным фактом является то, что молекулы ДНК обычно не только длиннее, чем молекулы РНК, но и включают в себя две цепочки, которые соединены друг с другом при помощи водородных связей, возникающих между азотистыми основаниями.
Все живое на планете состоит из многочисленных клеток. Они поддерживают упорядоченность своей организации с помощью генетической информации, содержащейся в ядре, которая сохраняется, передается и реализуется высокомолекулярными сложными соединениями — нуклеиновыми кислотами. Кислоты эти, в свою очередь, состоят из мономерных звеньев – нуклеотидов.
Понятие нуклеотида
Как и белки, нуклеиновые кислоты необходимы для жизни. Это генетический материал всех живых организмов, включая вирусы.
Выяснение структуры одного из двух типов нуклеиновых кислот ДНК позволило понять, каким образом в живых организмах хранится информация, необходимая для регулирования жизнедеятельности и как она передается потомству. Нуклеотид представляет собой мономерную единицу, образующую соединения более сложные — нуклеиновые кислоты. Без них невозможно хранение, воспроизведение и передача генетической информации. Свободные нуклеотиды – главные компоненты, которые участвуют в энергетических и в сигнальных процессах. Они поддерживают нормальную жизнедеятельность отдельных клеток и организма в целом.Из них строятся длинные молекулы — полинуклеотиды.Чтобы разобраться со структурой полинуклеотида следует понять строение нуклеотидов.
Что такое нуклеотид? Молекулы ДНК собраны из мелких мономерных соединений. Другими словами, нуклеотид — это органическое сложное соединение, представляющее собой составную часть нуклеиновых кислот и других биологических соединений, необходимых для жизнедеятельности клетки.
Состав и основные свойства нуклеотидов
В состав молекулы нуклеотида (мононуклеотида) в определенной последовательности входят три химических соединения:
2. Азотистая пиримидиновая или пуриновая основа, связанная с углеродным атомом сахара. Это соединение называют нуклеозидом
Свойствами нуклеотидов являются:
Нуклеиновые кислоты
В молекуле положение атома углерода обозначается цифрой со штрихом (например:1C´, 3C´, 5C´). Так как у вех процессов считывания с молекулы нуклеиновой кислоты наследственной информации имеется строгая направленность, нумерация углеродных атомов и их расположение служат указателем верного направления.
С первым углеродным атомом 1C´ в молекуле сахара соединяется азотистое основание.
К третьему и пятому углеродным атомам по гидроксильной группе (3C´, 5C´) присоединяется остаток фосфорной кислоты, который определяет химическую принадлежность к группе кислот ДНК и РНК.
Состав азотистых оснований
Виды нуклеотидов по азотистому основанию ДНК :
Первые два класса — пурины:
Два последние относятся к классу пиримидинов:
Пуриновые соединения по молекулярной массе тяжелее пиримидиновых.
Нуклеотиды РНК по азотистому соединению представлены:
Так же, как тимин, урацил является пиримидиновым основанием. Нередко в научной литературе азотистые основания обозначаются латинскими буквами (A, T, C, G, U).
Пурины (гуанин и аднин) состоят из имидазола и пиримидина. В молекулах пуриновых оснований четыре атома азота и пять атомов углерода. У каждого атома имеется свой номер от 1 дот 9.
Результатом соединений азотистых остатков с остатками пентозы является нуклеозид. Нуклеотид – это соединение фосфатной группы с нуклеозидом.
Образование фосфодиэфирных связей
При взаимодействии двух нуклеотидов образуется динуклеотид. Новое соединение образуется путем конденсации, когда возникает фосфодиэфирная связь между гидроксигруппой пентозы одного мономера и фосфатным остатком другого.
Синтезом полинуклеотида является многочисленное повторение этой реакции. Сборка полинуклеотидов представляет сложный процесс, обеспечивающей рост цепи с одного конца.
Структура ДНК
Молекулы ДНК, как и молекулы белка, имеют первичную, вторичную структуры и третичную. Первичную структуру в цепи ДНК определяет последовательность нуклеотидов. В основе вторичной структуры лежит формирование водородных связей. При синтезе двойной спирали ДНК имеется определенная закономерность и последовательность: тимин одной цепи соответствует аденину другой; цитозин – гуанину, и наоборот. Соединения нуклеидов создают прочную связь цепей, с равным между ними расстоянием.
Зная последовательность нуклеотидов одной цепи ДНК можно по принципу дополнения или комплементарности достроить вторую.
Третичная структура ДНК образовывается путем трехмерных сложных соединений. Это делает молекулу более компактной, чтобы она могла свободно разместиться в небольшом объеме клетки. длина кишечной палочки ДНК более 1 мм, в то время как длина самой клетки менее 5 мкм.
Количество пиримидиновых оснований равняется всегда числу пуриновых. Расстояние между нуклеотидами равняется 0,34 нм. Это постоянная величина, как и молекулярная масса.
Функции и свойства ДНК
Основные функции ДНК:
Процесс самовоспроизведения молекулы нуклеиновой кислоты сопровождается передачей от клетки к клетке копий генетической информаций. Для его осуществления необходимы набор специфических ферментов. В этом процессе полуконсервативного типа образуется репликативная вилка.
Молекула РНК – структура
РНК может быть трех видов, в зависимости от тех функций, которые выполняются в организме:
Роль нуклеотида в организме
В клетке нуклеотиды выполняют важные функции:
Свободные нуклеотиды – главные компоненты, которые участвуют в энергетических и в сигнальных процессах. Они поддерживают нормальную жизнедеятельность отдельных клеток и организма в целом.
Что входит в состав нуклеотида?
Нуклеиновые кислоты – присутствующие в клетках всех живых организмов биополимеры, которые выполняют важнейшие функции по хранению и передаче генетической информации и участвуют в механизмах ее реализации в процессе синтеза клеточных белков.
Установление состава нуклеиновых кислот путем их последовательного гидролитического расщепления позволяет выделить следующие структурные компоненты.
НУКЛЕОЗИДЫ. НУКЛЕОТИДЫ. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
Рассмотрим структурные компоненты нуклеиновых кислот в порядке усложнения их строения.
1. Нуклеиновые основания.
Гетероциклические основания, входящие в состав нуклеиновых кислот (нуклеиновые основания), — это гидрокси- и аминопроизводные пиримидина и пурина. Нуклеиновые кислоты содержат три гетероциклических основания с пиримидиновым циклом (пиримидиновые основания) и два — с пуриновым циклом (пуриновые основания). Нуклеиновые основания имеют тривиальные названия и соответствующие однобуквенные обозначения. 
Нуклеозиды – это N-гликозиды, образованные нуклеиновыми основаниями и рибозой или дезоксирибозой.
В зависимости от природы моносахаридного остатка нуклеозиды делят на рибонуклеозиды (содержат остаток рибозы) и дезоксирибонуклеозиды (содержат остаток дезоксирибозы). Названия нуклеозидов строят на основе тривиальных названий нуклеиновых оснований, добавляя окончание –идин для производных пиримидина и —озин для производных пурина. К названиям дезоксирибонуклеозидов добавляют приставку дезокси-. Исключение составляет нуклеозид, образованный тимином и дезоксирибозой, к которому приставка дезокси- не добавляется, так как тимин образует нуклеозиды с рибозой лишь в очень редких случаях. 
Для обозначения нуклеозидов используются однобуквенные обозначения, входящих в их состав нуклеиновых оснований. К обозначениям дезоксирибонуклеозидов (за исключением тимидина) добавляется буква ”д”.
Наряду с представленными на схеме основными нуклеозидами в составе нуклеиновых кислот встречаются минорные нуклеозиды, содержащие модифицированные нуклеиновые основания.
Нуклеотиды являются мономерными звеньями, из которых построены полимерные цепи нуклеиновых кислот. Некоторые нуклеотиды выполняют роль коферментов и участвуют в обмене веществ.
4. Нуклеотидные коферменты
Молекула АТФ содержит макроэргические связи Р-О, которые легко расщепляются в результате гидролиза.
Выделяющаяся при этом свободная энергия обеспечивает протекание сопряженных с гидролизом АТФ термодинамически невыгодных анаболических процессов, например, биосинтез белка.
Кофермент А. Молекула этого кофермента состоит из трех структурных компонентов: пантотеновой кислоты, 2-аминоэтантиола и АДФ.
Кофермент А участвует в процессах ферментативного ацилирования, активируя карбоновые кислоты путем превращения их в реакционноспособные сложные эфиры тиолов.
Никотинамидадениндинуклеотидные коферменты. Никотинамидадениндинуклеотид (НАД+) и его фосфат (НАДФ+) содержат в своем составе катион пиридиния в виде никотинамидного фрагмента. Пиридиниевый катион в составе этих коферментов способен обратимо присоединять гидрид-анион с образованием восстановленной формы кофермента — НАД Н. 
Таким образом никотинамидадениндинуклеотидные коферменты участвуют в окислительно-восстановительных процессах, связанных с переносом гидрид-аниона, например, окислении спиртовых групп в альдегидные (превращение ретинола в ретиналь), восстановительном аминировании кетокислот, восстановлении кетокислот в гидроксикислоты. В ходе этих процессов субстрат теряет (окисление) или присоединяет (восстановление) два атома водорода в виде Н+ и Н—. Кофермент служит при этом акцептором (НАД+) или донором (НАД.Н) гидрид-иона. Все процессы с участием коферментов являются стереоселективными. Так, при восстановлении пировиноградной кислоты образуется исключительно L-молочная кислота.
5. Нуклеиновые кислоты.
Первичная структура нуклеиновых кислот представляет собой линейную полимерную цепь, построенную из мономеров – нуклеотидов, которые связаны между собой 3/-5/-фосфодиэфирными связями. Полинуклеотидная цепь имеет 5′-конец и 3′- конец. На 5′-конце находится остаток фосфорной кислоты, а на 3′- конце — свободная гидроксильная группа.
Нуклеотидную цепь принято записывать, начиная с 5′-конца.
В зависимости от природы моносахаридных остатков в нуклеотиде различают дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК). ДНК и РНК различаются также по природе входящих в их состав нуклеиновых оснований: урацил входит только в состав РНК, тимин – только в состав ДНК.
| РНК | ДНК |
| Урацил | Тимин |
| Цитозин, аденин, гуанин | Цитозин, аденин, гуанин |
Вторичная структура ДНК представляет собой комплекс двух полинуклеотидных цепей, закрученных вправо вокруг общей оси так, что углевод-фосфатные цепи находятся снаружи, а нуклеиновые основания направлены внутрь (двойная спираль Уотсона-Крика).
Шаг спирали — 3.4 нм, на 1 виток приходится 10 пар нуклеотидов. Полинуклеотидные цепи антипараллельны, т.е. напротив 3′-конца одной цепи находится 5′-конец другой цепи. Две цепи ДНК неодинаковы по своему составу, но они комплементарны. Это выражается в том, что напротив аденина (А) в одной цепи всегда находится тимин (Т) в другой цепи, а напротив гуанина (Г) всегда находится цитозин (Ц). Комплементарное спаривание А с Т и Г с Ц осуществляется за счет водородных связей. Между А и Т образуется две водородные связи, между Г и Ц – три.
Комплементарность цепей ДНК составляет химическую основу важнейшей функции ДНК – хранения и передачи генетической информации.
Типы РНК. Известны три основных вида клеточных РНК: транспортные РНК (тРНК), матричные РНК (мРНК) и рибосомные РНК (рРНК). Они различаются по месторасположению в клетке, составу и размерами, а также функциями.
РНК состоят, как правило, из одной полинуклеотидной цепи, которая в пространстве складывается таким образом, что ее отдельные участки становятся комплементарными друг другу (”слипаются”) и образуют короткие двуспиральные участки молекулы, в то время как другие участки остаются однотяжевыми.
Матричные РНК выполняют функцию матрицы белкового синтеза в рибосомах. Рибосомные РНК выполняют роль структурных компонентов рибосом.
Механизм передачи генетической информации. Генетическая информация закодирована в нуклеотидной последовательности ДНК. Механизм передачи этой информации включает три основных этапа.
Двойная спираль материнской ДНК раскручивается и на каждой из двух цепей происходит синтез новой (дочерней) цепи ДНК с учетом принципа комплементарности. Процесс осуществляется под действием фермента ДНК-полимеразы.
Таким образом из одной материнской ДНК образуются две дочерних, каждая из которых содержит в своем составе одну материнскую и одну вновь синтезированную полинуклеотидную цепь.
При этом адениновому основанию в ДНК будет соответствовать урациловое основание в РНК. Генетическая информация о синтезе белка закодирована в ДНК с помощью триплетного кода. Одна аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов, которую называют кодоном. Участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь, называется геном. Каждому кодону ДНК соответствует комплементарный кодон в мРНК. В целом молекула мРНК комплементарна определенной части цепи ДНК – гену.
Процессы репликации и транскрипции происходят в ядре клетки. Синтез белка осуществляется в рибосомах. Синтезированная мРНК мигрирует из ядра в цитоплазму к рибосомам, перенося генетическую информацию к месту синтеза белка.
тРНК имеет антикодоновую ветвь, содержащую тринуклеотид — антикодон, который соответствует переносимой ею аминокислоте. На рибосоме тРНК прикрепляются антикодоновыми участками к соответствующим кодонам мРНК.
Специфичность стыковки кодона и антикодона обеспечивается их комплементарностью. Между сближенными аминокислотами образуется пептидная связь.
Таким образом реализуется строго определенная последовательность соединения аминокислот в белки, закодированная в генах.
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты — это биополимеры, наряду с белками играющие наиважнейшую роль в клетках живых организмов. Нуклеиновые кислоты отвечают за хранение, передачу и реализацию наследственной информации.
Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды, таким образом они сами представляют полинуклеотиды.
Строение нуклеотидов
Каждый нуклеотид, входящий в состав нуклеиновой кислоты, состоит из трех частей:
Химические связи между частями нуклеотида ковалентные, образующиеся в результате реакций конденсации (т. е. с выделением молекул воды). Конденсация обратна гидролизу.
В нуклеотиде первый атом углерода пентозы связан с азотистым основанием (связь C-N), а пятый — с фосфорной кислотой (фосфоэфирная связь: C-O-P).
Существуют два основных типа нуклеиновых кислот — ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). В составе РНК сахар представлен рибозой, а в ДНК — дезоксирибозой. В обоих случаях в нуклеиновых кислотах встречается циклический вариант пентоз. Дезоксирибоза отличается от рибозы отсутствием атома кислорода при втором атоме углерода.
Наличие дополнительной гидроксильной группы (-OH) у рибозы делает РНК молекулой, легче вступающей в химические реакции.
В составе нуклеотидов нуклеиновых кислот обычно встречаются следующие азотистые основания: аденин (А), гуанин (Г, G), цитозин (Ц, C), тимин (Т), урацил (У, U).
Аденин и гуанин относятся к пуринам, остальные — к пиримидинам. В молекуле пуринов имеется два кольца, а у пиримидинов только одно. Урацил почти не встречается в ДНК, а тимин весьма редок для РНК.
То есть для ДНК характерны аденин, гуанин, тимин и цитозин. Для РНК — аденин, гуанин, урацил и цитозин.
Химическое соединение сахара с азотистым основанием называется нуклеозидом. Ниже представлены нуклеозиды, где в качестве сахара выступает рибоза.
Нуклеозид, реагируя с фосфорной кислотой, образует нуклеотид. Ниже представлен нуклеотид, где в качестве сахара выступает дезоксирибоза, а в качестве азотистого основания — аденин.
Именно наличие остатков фосфорной кислоты в молекулах нуклеиновых кислот определяет их кислотные свойства.
Строение нуклеиновых кислот
Нуклеотиды линейно соединяются между собой, образуя длинные молекулы нуклеиновых кислот. Цепочки многих молекул ДНК являются самыми длинными существующими полимерами. Длина молекул РНК обычно существенно меньше ДНК, но при этом различна, т. к. зависит от типа РНК.
При образовании полинуклеотида (нуклеиновой кислоты) остаток фосфорной кислоты предыдущего нуклеотида соединяется с 3-м атомом углерода пентозы следующего нуклеотида. Связь образуется такая же как между 5-м атомом углерода сахара и фосфорной кислотой в самом нуклеотиде – ковалентная фосфоэфирная.
Таким образом, остов молекул нуклеиновых кислот составляют пентозы, между которыми образуются фосфодиэфирные мостики (по-сути остатки пентоз и фосфорных кислот чередуются). От остова в сторону отходят азотистые основания. На рисунке ниже представлена часть молекулы рибонуклеиновой кислоты.
Следует отметить, что молекулы ДНК обычно не только длиннее РНК, но и состоят из двух цепей, соединенных между собой водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями. Причем данные связи образуются согласно принципу комплементарности, по которому аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину.
Подобные связи могут возникать и в РНК (но здесь аденин комплементарен урацилу). Однако в РНК водородные связи образуются между нуклеотидами одной цепи, в результате чего молекула нуклеиновой кислоты сворачивается различным образом.
Днк (дезоксирибонуклеиновая кислота)
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это линейный органический полимер, мономерными звеньями которого являются нуклиатиды.
Вся информация о строении и функционировании любого живого организма содержится в закодированном виде в его генетическом материале. Основу генетического материала организма составляет дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). ДНК большинства организмов – это длинная двухцепочечная полимерная молекула.
Последовательность мономерных звеньев (дезоксирибонуклеотидов) в одной ее цепи соответствует (комплементарна) последовательности дезоксирибонуклеотидов в другой.
Принцип комплементарности обеспечивает синтез новых молекул ДНК, идентичных исходным, при их удвоении (репликации). Участок молекулы ДНК, кодирующий определенный признак, – ген.
Гены – это индивидуальные генетические элементы, имеющие строго специфичную нуклеотидную последовательность, и кодирующие определенные признаки организма. Одни из них кодируют белки, другие — только молекулы РНК.
Информация, которая содержится в генах, кодирующих белки (структурных генах), расшифровывается в ходе двух последовательных процессов:
Все эти процессы обеспечивают правильный перевод зашифрованной в ДНК генетической информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот. Аминокислотная последовательность белковой молекулы определяет ее структуру и функции.
Строение ДНК
ДНК – это линейный органический полимер. Его мономерные звенья – нуклеотиды, которые, в свою очередь, состоят из:
При этом, фосфатная группа присоединена к 5′-атому углерода моносахаридного остатка, а органическое основание — к 1′-атому.
Основания в ДНК бывают двух типов:
Строение нуклеотидов в молекуле ДНК
В ДНК моносахарид представлен 2′-дезоксирибозой, содержащей только 1 гидроксильную группу (ОН), а в РНК — рибозой, имеющей 2 гидроксильные группы (OH).
Нуклеотиды соединены друг с другом фосфодиэфирными связями, при этом фосфатная группа 5′-углеродного атома одного нуклеотида связана с З’-ОН-группой дезоксирибозы соседнего нуклеотида (рисунок 1). На одном конце полинуклеотидной цепи находится З’-ОН-группа (З’-конец), а на другом — 5′-фосфатная группа (5′-конец).
Уровни структуры ДНК
Принято выделять 3 уровня структуры ДНК:
Первичная структура ДНК – это последовательность расположения нуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК.
Вторичная структура ДНК стабилизируется водородными связями между комплементарными парами оснований и представляет собой двойную спираль из двух антипараллельных цепочек, закрученных вправо вокруг одной оси. Общий виток спирали- 3,4нм, расстояние между цепочками 2нм.
Третичная структура ДНК – суперспирализация ДНК.
Двойная спираль ДНК на некоторых участках может подвергаться дальнейшей спирализации с образованием суперспирали или открытой кольцевой формы, что часто вызвано ковалентным соединением их открытых концов.
Суперспиральная структура ДНК обеспечивает экономную упаковку очень длинной молекулы ДНК в хромосоме. Так, в вытянутой форме длина молекулы ДНК составляет 8 см, а в форме суперспирали укладывается в 5 нм.
Правило Чаргаффа
Правило Э. Чаргаффа – это закономерность количественного содержания азотистых оснований в молекуле ДНК:
Модель ДНК Уотсона-Крика
Б 1953 г. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, основываясь на данных рентгеноструктурного анализа кристаллов ДНК, пришли к выводу, что нативная ДНК состоит из двух полимерных цепей, образующих двойную спираль.
Навитые одна на другую полинуклеотидные цепи удерживаются вместе водородными связями, образующимися между комплементарными основаниями противоположных цепей.
При этом аденин образует пару только с тимином, а гуанин — с цитозином. Пара оснований А—Т стабилизируется двумя водородными связями, а пара G—С — тремя.
Длина двухцепочечной ДНК обычно измеряется числом пар комплементарных нуклеотидов (п.н.). Для молекул ДНК, состоящих из тысяч или миллионов пар нуклеотидов, приняты единицы т.п.н. и м.п.н. соответственно. Например, ДНК хромосомы 1 человека представляет собой одну двойную спираль длиной 263 м.п.н.
Сахарофосфатный остов молекулы, который состоит из фосфатных групп и дезоксирибозных остатков, соединенных 5’—З’-фосфодиэфирными связями, образует «боковины винтовой лестницы», а пары оснований А—Т и G—С — ее ступеньки.
Цепи молекулы ДНК антипараллельны: одна из них имеет направление 3’→5′, другая 5’→3′.
В соответствии с принципом комплементарности, если в одной из цепей имеется нуклеотидная последовательность 5-TAGGCAT-3′, то в комплементарной цепи в этом месте должна находиться последовательность 3′-ATCCGTA-5′. В этом случае двухцепочечная форма будет выглядеть следующим образом:
В такой записи 5′-конец верхней цепи всегда располагают слева, а 3′-конец — справа.
Носитель генетической информации должен удовлетворять двум основным требованиям: воспроизводиться (реплицироваться) с высокой точностью и детерминировать (кодировать) синтез белковых молекул.
Модель ДНК Уотсона—Крика полностью отвечает этим требованиям, так как:
Интересные факты о ДНК
Нуклеотид — это… Что такое Нуклеотид?
Нуклеоти́ды — фосфорные эфиры нуклеозидов, нуклеозидфосфаты. Свободные нуклеотиды, в частности АТФ, цАМФ, АДФ, играют важную роль в энергетических и информационных внутриклеточных процессах, а также являются составляющими частями нуклеиновых кислот и многих коферментов.
Строение
Нуклеотиды являются сложными эфирами нуклеозидов и фосфорных кислот. Нуклеозиды, в свою очередь, являются N-гликозидами, содержащими гетероциклический фрагмент, связанный через атом азота с C-1 атомом остатка сахара.
В природе наиболее распространены нуклеотиды, являющиеся β-N-гликозидами пуринов или пиримидинов и пентоз — D-рибозы или D-2-рибозы. В зависимости от структуры пентозы различают рибонуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды, которые являются мономерами молекул сложных биологических полимеров (полинуклеотидов) — соответственно РНК или ДНК.
Фосфатный остаток в нуклеотидах обычно образует сложноэфирную связь с 2′-, 3′- или 5′-гидроксильными группами рибонуклеозидов, в случае 2′-дезоксинуклеозидов этерифицируются 3′- или 5′-гидроксильные группы.
Большинство нуклеотидов являются моноэфирами ортофосфорной кислоты, однако известны и диэфиры нуклеотидов, в которых этерифицированы два гидроксильных остатка — например, циклические нуклеотиды циклоаденин- и циклогуанин монофосфаты (цАМФ и цГМФ).
Наряду с нуклеотидами — эфирами ортофосфорной кислоты (монофосфатами) в природе также распространены и моно- и диэфиры пирофосфорной кислоты (дифосфаты, например, аденозиндифосфат) и моноэфиры триполифосфорной кислоты (трифосфаты, например, аденозиндифосфат).
Номенклатура
Буквенные коды для обозначения нуклеотидов Код Означает Комплементарная пара
| A | A | T в ДНК; U в РНК |
| C | C | G |
| G | G | C |
| T или U | T в ДНК; U в РНК | A |
| M | A или C | K |
| R | A или G | Y |
| W | A или T | W |
| S | C или G | S |
| Y | C или T | R |
| K | G или T | M |
| V | A или C или G | B |
| H | A или C или T | D |
| D | A или G или T | H |
| B | C или G или T | V |
| X или N | A или C или G или T (U) | любой |
Соединения, состоящие из двух нуклеотидовых молекул, называются динуклеотидами, из трёх — тринуклеотидами, из небольшого числа — олигонуклеотидами, а из многих — полинуклеотидами, или нуклеиновыми кислотами.
Названия нуклеотидов представляют собой аббревиатуры в виде стандартных трёх- или четырёхбуквенных кодов.
Если аббревиатура начинается со строчной буквы «д» (англ. d), значит подразумевается дезоксирибонуклеотид; отсутствие буквы «д» означает рибонуклеотид. Если аббревиатура начинается со строчной буквы «ц» (англ. c), значит речь идёт о циклической форме нуклеотида (например, цАМФ).
Первая прописная буква аббревиатуры указывает на конкретное азотистое основание или группу возможных нуклеиновых оснований, вторая буква — на количество остатков фосфорной кислоты в структуре (М — моно-, Д — ди-, Т — три-), а третья прописная буква — всегда буква Ф («-фосфат»; англ. P).
Общепринятые буквенные коды для обозначения нуклеотидных оснований соответствуют номенклатуре, принятой Международным союзом теоретической и прикладной химии (International Union of Pure and Applied Chemistry, сокращённо — англ. IUPAC, русск.
ИЮПАК) и Международным союзом биохимии и молекулярной биологии (International Union of Biochemistry and Molecular Biology, сокращённо — англ. IUBMB).
Если при секвенировании последовательности ДНК или РНК возникает сомнение в точности определения того или иного нуклеотида, помимо пяти основных (A, C, T, G, U), используют другие буквы латинского алфавита в зависимости от того, какие наиболее вероятные нуклеотиды могут находиться в данной позиции последовательности.
Длину секвенированных участков ДНК (гена, сайта, хромосомы) или всего генома указывают в парах нуклеотидов (пн), или парах оснований (англ. base pairs, сокращённо bp), подразумевая под этим элементарную единицу двухцепочечной молекулы нуклеиновой кислоты, сложенную из двух спаренных комплементарных оснований.
История
В домолекулярной генетике для обозначения наименьшего элемента в структуре ДНК, который может быть подвержен спонтанной или индуцированной мутации, применялся особый термин рекон.
В настоящее время показано, что таким наименьшим элементом является один нуклеотид (или одно азотистое основание в составе нуклеотида), поэтому данный термин более не употребляется. Для определения понятия единица мутации применялся термин мутон.
В настоящее время показано, что фенотипически мутация может проявляется даже при замене одного нуклеотида (или азотистого основания в составе нуклеотида), таким образом, термин мутон соответствует одному нуклеотиду.