Referatas
Nukleorūgščių struktūra ir savybės
Turinys
Įvadas ……………………………………………………………………………………………………………………… 3
Nukleorūgščių sudėtis ……………………………………………………………………………………………….. 4
DNR struktūra ………………………………………………………………………………………………………….. 6
Pirminė struktūra ………………………………………………………………………………………………… 6
Antrinė struktūra ………………………………………………………………………………………………… 7
Tretinė struktūra …………………………………………………………………………………………………. 9
RNR ………………………………………………………………………………………………………………………. 10
iRNR struktūra ………………………………………………………………………………………………….. 10
tRNR struktūra ………………………………………………………………………………………………….. 11
rRNR struktūra ………………………………………………………………………………………………….. 12
Informacijos šaltiniai ……………………………………………………………………………………………….. 13
1.Įvadas
Nukleorūgštys yra ląstelės komponentas, saugantis ir perduodantis paveldimą informaciją.
Šveicaras F. Mišeris 1869 m. iš ląstelių branduolių išskyrė rūgštines savybes turinčią medžiagą, kurią pavadino nukleinu (nucleus – graikų k. branduo-lys). Jis nustatė, kad tai nebaltyminės prigimties fosforo turinti medžiaga. Vėliau ši rūgštis buvo pavadinta nukleorūgštimi (nukleino rūgštimi).
Erdvinę dvigrandės DNR molekulės struktūrą 1953 m. nustatė J. Watson ir F. Crick.
Nukleorūgštys yra stambiamolekuliniai junginiai, sudaryti iš monomerinių vienetų, vadinamų
nukleotidais, sujungtų 3’,5’-fosfodiesteriniais ryšiais. Todėl nukleorūgštys dar vadinamos
polinukleotidais.
Deoksiribonukleorūgštis (DNR) yra ląstelių branduoliuose, taip pat mitochondrijose ir chloroplastuose. DNR funkcija yra genetinės informacijos kodavimas.
Yra du nukleorūgščių tipai:
deoksiribonukleorūgštis (DNR)
ribonukleino rūgštys (RNR).
2.Nukleorūgščių sudėtis
Nukleorūgštys yra stambiamolekuliniai junginiai, sudaryti iš monomerinių vienetų, vadinamų
nukleotidais, sujungtų 3’,5’-fosfodiesteriniais ryšiais.
Į nukleotidų sudėtį įeina:
heterociklinės bazės,
angliavandeniai,
fosforo rūgštis.
Heterociklinės bazės
Į nukleotidų sudėtį įeina 5 heterocikliniai baziniai dariniai:
Purino dariniai: adeninas ir guaninas.
Pirimidino dariniai: uracilas, timinas ir citozinas.
Purino bazės
Adeninas Guaninas
Pirimidino bazės
Uracilas Timinas Citozinas
Į DNR sudėtį įeina timinas, į RNR- uracilas.
Šios azotinės bazės jungiasi prie monosacharido (ribozės ar dezoksiribozės) 1 C atomo.
Angliavandeniai
Nukleotidų sudėtyje aptinkami du monosacharidai – D-ribozė, arba 2-deoksi-D-ribozė.
Pagal tai, koks angliavandenis įeina į polinukleotido sudėtį, nukleorūgštys skirstomos į ribonukleino rūgštis (RNR) ir deoksiribonukleino rūgštis (DNR).
Deoksiribozė Ribozė
Deoksiribozė nuo ribozės skiriasi tuo, jog deoksiribozėje prie 2‘ anglies atomo jungiasi ne hidroksilo grupė (-OH), o vienas vandenilis (H). Priešdėlis deoksi – rodo vieno deguonies atomo trūkumą.
Nukleozidai
Heterociklinėms bazėms sudarius N-glikozidinę jungtį su D-riboze, arba 2-deoksi-D-riboze, gautas junginys vadinamas nukleozidu.
Monosacharidas būna furanozės formos ir susidaro glikozidinis β – konfigūracijos ryšys.
Ryšio sudaryme dalyvauja heterociklinės bazės pirimidino N-1 atomas arba purino N-9 atomas.
Praktikoje naudojami trivialūs nukleozidų pavadinimai, sudaromi iš atitinkamos bazės pavadinimo, pridedant galūnę -idinas pirimidino nukleozidams ir -ozinas purino nukleozidams:
Citozinas + ribozė = Citidinas, Citozinas + deoksiribozė = Deoksicitidinas,
Adeninas + ribozė = Adenozinas, Adeninas + deoksiribozė = Deoksiadenozinas,
Guaninas + ribozė = Guanozinas, Guaninas + deoksiribozė = Deoksiguanozinas,
Uracilas + ribozė = Uridinas, Uracilas + deoksiribozė = Deoksiuridinas,
Timinas + ribozė = Ribotimidinas, Timinas + deoksiribozė = Timidinas.
]3.DNR struktūra
3.1.Pirminė DNR struktūra
DNR pirminė struktūra – tai deoksiribonukleotidų, sujungtų 3’→5’ fosfodiesteriniais ryšiais seka (nuoseklus monomerų išsidėstymas polinukleotidinėje grandinėje). Tai svarbiausias informacinis nukleorūgščių elementas, lemiantis biologines nukleorūgščių savybes. Kiekvienai organizmų rūšiai būdinga savita DNR molekulių sudėtis ir seka. Skirtingose to paties organizmo ląstelėse DNR bazių seka ta pati. Genetiškai artimų organizmų DNR sudėtis panaši. DNR molekulę sudaro dvi antiparaleliai išsidėsčiusios polinukleotidinės grandinės. Nukleotidų seka DNR molekulėse nustatoma hidrolizuojant polimerą ir analizuojant jo hidrolizės produktus.
3.2.Antrinė DNR struktūra
DNR antrinė struktūra – dviejų komplementarių polinukleotidinių grandinių išsidėstymas erdvėje, susisukimas į spiralę. Tokią DNR molekulę sudaro dvi DNR grandinės, vandeniliniais ryšiais sutvirtintos tarpusavyje ir susuktos į spiralę. Šioje spiralėje heterociklinės bazės išsidėsčiusios spiralės viduje, fosfato-deoksiribozės karkasas yra jos išorėje. Grandinių išsidėstymas viena kitos atžvilgiu antilygiagretus, t.y. jos spiralėje orientuotos priešingais galais. Vandeniliniai ryšiai, palaikantys dvigubos grandinės struktūrą, susidaro tarp skirtingų polimerinių grandinių heterociklinių bazių. Vandenilinio ryšio sudaryme dalyvauja vienos grandinės purino bazė ir kitos grandinės pirimidino bazė. Taip tarp timino ir adenino susiformuoja du vandeniliniai ryšiai, o tarp guanino ir citozino – trys vandeniliniai ryšiai. Tai reiškia, kad DNR molekulėje priešais timiną visada yra adeninas, o priešais guaniną – citozinas. Šios bazės vadinamos komplementariomis bazėmis. DNR dvigubą spiralę stabilizuoja ir sąveika tarp gretimų (toje pačioje grandinėje) bazių plokštumų, sąlygota π elektronų orbitalių persiklojimo. Be to, DNR struktūrą gali stabilizuoti Mg2+ jonai, neutralizuojantys fosforo rūgšties grupių neigiamą krūvį.
Spiralė yra dešiniojo sukimo, jos skersmuo yra 2,0 nm, žingsnis – 3,4 nm, nuotolis tarp bazių plokštumų yra 0,34 nm, į spiralės žingsnį telpa 10 bazių porų.
Komplementarumas sąlygoja kiekybinį heterociklinių bazių santykį DNR molekulėse, kurį nusako
Čargafo (Chargaff) taisyklė:
kiekvienoje komplementarioje grandinėje purino bazių skaičius lygus pirimidino bazių skaičiui; adenino bazių skaičius lygus timino bazių skaičiui,
o guanino bazių skaičius – citozino bazių skaičiui.
RNR ši taisyklė paprastai nėra išlaikoma, nes jai būdingesnė viengrandė struktūra, daug nespiralinių sričių, minorinių nukleotidų.
DNR formos
Žinomos A, B ir Z dvigrandės DNR formos, besiskiriančios molekulių konformacija. Jų
susidarymą lemia nukleotidų sudėtis ir aplinkos sąlygos.
Dvigrandės DNR A forma susidaro sumažinto drėgnumo (72%) sąlygomis ir yra nestabili –
vandenyje virsta B formos DNR. A formoje nukleotidų poros plokštuma pakrypusi nuo statmens
grandinės ašiai 13-19° kampu, atstumas tarp bazių centrų 2,56 nm, spiralės žingsnis 28.2 nm, į jį telpa maždaug 11 nukleotidų porų. Skirtingai nuo A ir B formų DNR, Z formai būdingas kairiojo sukimo spiralės tipas. Šioje konformacijoje fosfato-deoksiribozės karkasas išsidėsto zigzagu, todėl ji ir vadinasi Z forma. Šios spiralės žingsnis – 12 nukleotidų. B forma virsta Z forma vandenyje esant didelei Mg2+ koncentracijai.
B forma yra labiausiai paplitusi gamtoje dvigrandės DNR molekulių forma. Z forma mažiau paplitusi, jos trumpi intarpai aptinkami ilgose B formos DNR molekulėse.
Vienas iš tarpų tarp dvigubos DNR spiralės grandinių B formoje yra siauresnis už kitą.
Šie tarpai, vadinami didžiuoju ir mažuoju grioveliais, svarbūs DNR sąveikai su įvairiais
fermentais ir reguliuojančiais DNR veiklą baltymais.
DNR grandinių komlementarumas yra pagrindinis faktorius, perduodant paveldimą informaciją.
Tačiau kartais DNR grandinėje atsiranda pakitimų, vadinamų mutacijomis. Dažniausiai pasitaikanti
mutacija yra vienos nukleotidų poros pakeitimas kita. Įprasta pora timinas-adeninas gali būti nesunkiai pakeista pora timinas-guaninas. Šis pasikeitimas įvyksta perrašant informaciją iš DNR į RNR, nuo kurios vėliau nuskaitoma klaidinga informacija ir sintetinamas klaidingas baltymas.
Kita mutacijų rūšis – cheminiai pakitimai. Pvz., veikiant radioaktyviam spinduliavimui, adenozino
aminogrupė pakeičiama hidroksigrupe. Taip iš adenino gaunamas hipoksantinas, kuris komplementarią porą sudaro jau ne su timinu, o su citozinu. Cheminės medžiagos, sukeliančios DNR pažeidimus, vadinamos mutagenais. Jos dabar plačiai naudojamos kryptingai selekcijai.
3.3.Tretinė struktūra
Tretinė DNR struktūra – tai antrinės struktūros išsidėstymas erdvėje.
Bakteriofago λ DNR yra dviejose formose – linijininėje ir žiedinėje, kurios gali virsti viena kita (A).
Bakterijų ir kai kurių bakterijų virusų DNR sudaryta iš dvigrandžių ciklinių molekulių, kurios erdvėje papildomai susisuka, įgaudamos superspiralės struktūrą (priklausomai nuo susidarymo sąlygų superspiralė gali įgauti įvairias formas). Kelios iš superspiralės formų parodytos pav. B
Eukariotų ląstelėse beveik visa DNR yra branduolyje, kur ji susijungusi su baziniais baltymais, vadinamais histonais, sudėtyje turinčiais daug bazinių aminorūgščių arginino ir lizino. Histonai elektrostatiškai sąveikauja su DNR spiralės rūgštinėmis fosfatinėmis grupėmis. Dviguba DNR spiralė tarsi apvynioja baltyminę šerdį iš keturių skirtingų histonų porų, sudarydama
nukleosomas.→
DNR ir baltymų kompleksas vadinamas chromatinu. Ramybės būsenoje chromatinas amorfiškai pasiskirsto po visą branduolio tūrį, tačiau prieš ląstelės dalijimąsi jis sudaro kompaktiškas chromosomas. Kiekvienos organizmų rūšies somatinėse ląstelėse yra tam tikras porinis skaičius chromosomų. Žmogaus genomą sudaro 46 chromosomos (23 poros).
4. RNR
RNR fizinės ir cheminės savybės panašios į DNR.
RNR, kaip ir DNR, sudaryta iš nukleotidų, sujungtų linijine tvarka, bet turi du esminius skirtumus:
Vietoje deoksiribozės yra ribozė,
Timino bazė (T), pakeista uracilu (U) – labai gimininga baze, galinčia komplementariai jungtis su adenino (A) baze.
Papildoma 2’-hidroksigrupė angliavandenio struktūroje lemia didesnį molekulės jautrumą
cheminiams poveikiams, todėl RNR stabilumas žymiai mažesnis nei DNR.
RNR rūšys
Įvairios RNR molekulės atlieka esminį vaidmenį, nuskaitant DNR specifinių sričių (genų)
informaciją ir užtikrinant tolesnę baltymų sintezę. Baltymų sintezėje dalyvauja trijų rūšių RNR:
Informacinė RNR (iRNR) turi nuo DNR nukopijuotą bazių seką, kurią atitinka tam tikra aminorūgščių seka baltyme, t. y. iRNR perneša genetinę informaciją nuo DNR baltymo sintezei.
Transportinė RNR (tRNR) yra tarsi kodo raktas, t. y. atpažįsta ir perneša aminorūgštis, atitinkančias bazių seką iRNR. Atneštos aminorūgštys prijungiamos prie augančio polipeptidinės grandinės galo.
Ribosominė RNR (rRNR) kartu su baltymais sudaro kompleksą, vadinamą ribosoma, kuriame vyksta baltymo sintezė.
RNR struktūra
RNR būdingiausia viengrandė struktūra. Tačiau visose RNR gausu komplementarumu pasižyminčių sričių, galinčių sudaryti vidumolekulinius vandenilinius ryšius.
Todėl RNR antrinei struktūrai būdingi įvairaus ilgio dvigrandžiai spiraliniai fragmentai (vadinami segtukais) ir kilpos, sudaromos nekomplementarių sričių. Tokių struktūrų buvimas įrodytas tRNR ir rRNR molekulėse, numanomas ir iRNR. iRNR šios molekulės gali būti labai įvairaus dydžio, priklausomai nuo to, kiek ir kokio dydžio baltymų yra jose koduojama.
4.1.iRNR struktūra
Šios molekulės gali būti labai įvairaus dydžio, priklausomai nuo to, kiek ir kokio dydžio
baltymų yra jose koduojama. RNR molekulių sintezės procesas vadinamas DNR transkripcija. Viena iš dviejų DNR grandinių yra naudojama kaip matrica naujai sintezuojamos iRNR grandinei. Po
transkripcijos DNR dvigubos spiralės struktūra atstatoma, o RNR grandinė atpalaiduojama. iRNR
viengrandės molekulės sintezė vyksta 5’-3’ kryptimi, jos grandinė kopijuoja tik dalį DNR grandinės. Taip sintetinamos visos RNR, tačiau informacija apie baltymų seką yra perduodama tik per iRNR.
Po transkripcijos informacija apie baltymo pirminę struktūrą yra užrašyta iRNR nukleotidų sekoje.
Baltymo sintezės (transliacijos) metu ši informacija nuskaitoma po tris nukleotidus. Kiekvienas toks
nukleotidų tripletas vadinamas kodonu ir specifiškai atitinka vieną aminorūgštį.
iRNR stabilumas yra pats mažiausias iš visų RNR rūšių. Tai padeda ląstelėje greitai nutraukti nereikalingų baltymų sintezę. Tačiau šis bruožas labai apsunkina iRNR struktūros tyrimus, todėl iki šiol iRNR antrinė ir tretinė struktūra nėra aiški
4.2.tRNR struktūra
Lyginant su kitomis RNR, visoms tRNR molekulėms būdinga panaši antrinė ir tretinė struktūra, nors jų nukleotidų sekos skiriasi. Viengrandėje tRNR molekulėje komplementarios bazių poros susidaro tarp nukleotidų toje pačioje grandinėje. Molekulėje gali būti 4-5 spiraliniai fragmentai. Dėl to tRNR įgyja specifinę erdvinę konformaciją, dvimatėje erdvėje atrodančią kaip dobilo lapas.
Antrinę tRNR stuktūrą taip pat stabilizuoja sąveika tarp gretimų heterociklinių bazių plokštumų. Dvi nesuporuotų nukleotidų vietos yra ypač svarbios tRNR funkcijai: vienoje jų yra nukleotidų tripletas, vadinamas antikodonu, o kitoje CCA seka. Antikodone esančios bazės yra komplementarios kodono bazėms iRNR molekulėje. tRNR 3’-gale esanti CCA seka kovalentiškai prisijungia atitinkamą aminorūgštį, todėl šis galas vadinamas akceptoriniu stiebu. Ψ kilpoje visada būna minorinis nukleotidas pseudouridinas. Manoma, kad ši kilpa svarbi sąveikai su ribosoma. D kilpoje yra dihidrouridinas. Maža kilpa vadinama variabilia, nes jos ilgis įvairiose tRNR nevienodas.
Tarp antrinės struktūros sričių, pav. A parodytų laužtom linijom, susidaro vandeniliniai ryšiai,
dėl kurių tRNR įgauna dar kompaktiškesnę tretinę L-formos konformaciją (pav. B).
Antrinės struktūros kilpos D ir Ψ (su visose tRNR pasikartojančiais minoriniais nukleotidais)
svarbios universalios tRNR tretinės struktūros susidarymui. tRNR biologinę funkciją ir lemia ši tretinė struktūra. Joje aktyviai veikia dvi nesuporuotos nukleotidų vietos, t. y., antikodonas ir 3’ gale esanti CCA seka. Teisingą aminorūgščių prijungimą prie akceptorinio stiebo užtikrina fermentas aminoacil-tRNR sintetazė. Kiekviena tRNR gali prisijungti tik vieną aminorūgštį, atitinkančią jos antikodoną. Pvz., tRNR, nešanti gliciną, yra žymima tRNRGly. Kiekviena amino rūgštis turi mažiausiai po vieną tRNR, dauguma po kelias.
4.3.rRNR struktūra
rRNR. tRNR ir iRNR efektyviai sąveikai būtinos ribosomos. Tai yra daugiau kaip 50-ties baltymų
ir kelių struktūrinių RNR kompleksai. Šiuose kompleksuose esančios įvairaus dydžio RNR molekulės vadinamos ribosominėmis (rRNR). Susirišimas su baltymais garantuoja rRNR stabilumą.
Lyginant to paties tipo rRNR iš įvairių organizmų, nustatyta, kad jų antrinė struktūra labai panaši,
nepaisant žymių skirtumų nukleotidų sekose. rRNR molekulėse randama daug komplementarių
nukleotidų sekų, tai leidžia manyti, jog jų antrinėje struktūroje yra nemažai dvigrandžių segmentų ir tarp jų susidarančių kilpų. Tretinė rRNR struktūra mažai ištirta. Manoma, kad rRNR svarbi ne tik kaip karkasas, talpinantis ribosominius baltymus bei fermentus, tačiau gali katalizuoti peptidinės jungties susidarymą.
5.Literatūros sąrašas
ututi.com/content/get_content/8941
ututi.com/subject/vu/gmf/bioorganine_chemija/file/52812/get
http://www.bchi.lt/LBD/saitas/files/strukt%20bioch1.pdf
Jurgis Kazlauskas „Biochemijos pagrindai“