Нуклеопротеины комплексы нуклеиновых кислот с белками. К нуклеопротеинам относятся устойчивые комплексы нуклеиновых кислот с белками, длительное время существующие в клетке в составе органелл или структурных элементов клетки в отличие от разнообразных короткоживущих промежуточных комплексов белок-нуклеиновая кислота (комплексы нуклеиновых кислот с ферментами синтетазами и гидролазами при синтезе и деградации нуклеиновых кислот, комплексы нуклеиновых кислот с регуляторными белками и т. п.). В зависимости от типа входящих в состав нуклеопротеиновых комплексов нуклеиновых кислот различают рибонуклеопротеины и дезоксирибонуклеопротеины. Нуклеопротеины составляют существенную часть рибосом, хроматина, вирусов. В рибосомах рибонуклеиновая кислота (РНК) связывается со специфическими рибосомальными белками. Вирусы являются практически чистыми рибо- и дезоксирибонуклеопротеинами. В хроматине нуклеиновая кислота представлена дезоксирибонуклеиновой кислотой, связанной с разнообразными белками, среди которых можно выделить две основные группы – гистоны и негистоновые белки.

Устойчивость нуклеопротеиновых комплексов обеспечивается нековалентным взаимодействием. У различных нуклеопротеинов в обеспечение стабильности комплекса вносят вклад различные типы взаимодействий, при этом нуклеиново-белковые взаимодействия могут быть специфичными и неспецифичными. В случае специфичного взаимодействия определённый участок белка связан со специфичной (комплементарной участку) нуклеотидной последовательностью, в этом случае вклад водородных связей, образующихся между нуклеотидными и аминокислотными остатками благодаря пространственному взаимному соответствию фрагментов, максимален. В случае неспецифичного взаимодействия основной вклад в стабильность комплекса вносит электростатическое взаимодействие отрицательно заряженных фосфатных групп полианиона нуклеиновой кислоты с положительно заряженными аминокислотными остатками белка.

Примером специфичного взаимодействия могут служить нуклеопротеидные комплексы рРНК субъединицы рибосом; неспецифичное электростатическое взаимодействие характерно для хромосомных комплексов ДНК хроматина и комплексов ДНК- протамины головок сперматозоидов некоторых животных. Нуклеопротеиновый комплекс субчастица 50S рибосом бактерий. Коричневым показана рРНК, синим белки.

Наличие отрицательно заряженного фосфата в каждом нуклеотиде делает НК полианионами. Поэтому с белками они образуют солеподобные комплексы. Схематично это можно представить так: Начальный этап упаковки ДНК осуществляют гистоны, более высокие уровни обеспечиваются другими белками. В начале молекула ДНК обвивается вокруг гистонов, образуя нуклеосомы. Сформированная таким образом нуклеосомная нить напоминает бусы, которые складываются в суперспираль (хроматиновая фибрилла) и суперсуперспираль (хромонемма интерфазы). Благодаря гистонам и другим белкам в конечном итоге размеры ДНК уменьшаются в тысячи раз: длина ДНК достигает 6-9 см (10 -1 ), а размеры хромосом – всего несколько микрометров (10 -6 ). Этапы организации хроматина

В каждом живом организме присутствуют 2 типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Молекулярная масса самой "маленькой" из известных нуклеиновых кислот - транспортной РНК (тРНК) составляет примерно 25 кД. ДНК - наиболее крупные полимерные молекулы; их молекулярная масса варьирует от до кД. ДНК и РНК состоят из мономерных единиц - нуклеотидов, поэтому нуклеиновые кислоты называют полинуклеотидами.

Каждый нуклеотид в свою очередь состоит из трех компонентов: азотистого основания, являющегося производным пурина или пиримидина, пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. В состав нуклеиновых кислот входят два производных пурина - аденин и гуанин и три производных пиримидина - цитозин, урацил (в РНК) и тимин (в ДНК). Пурины: аденин и гуанин входят в состав ДНК и РНК, пиримидины: цитозин и тимин - в состав ДНК, цитозин и урацил - в состав РНК.

Свойства азотистых оснований: плохо растворимы в воде (гидрофобны); плоскостные (копланарные); поглощают ультрафиолет при 260 нм.

В нуклеиновые кислоты входят два вида пентоз: β-D-рибоза в РНК и β-D-2- дезоксирибоза в молекулу ДНК АО + пентоза = нуклеозид: гидрофильны N-гликозидная связь Номенклатура нуклеозидов: Все пуриновые -озин Все пиримидиновые -идин

Свойства: несут отрицательный заряд проявляют кислотные свойства Номенклатура нуклеотидов: нуклеозид-5´-монофосфат, нуклеозид-5´-дифосфат, нуклеозид-5´-трифосфат. Строение АТФ Строение ЦТФ Нуклеотид = фосфорилированный нуклеозид = нуклеозид остатка H 3 PO 4

Образование названий нуклеозидов и нуклеотидов аденозин-5`-монофосфат или адениловая кислота или АМФ аденинаденозин гуанин цитозин урацил тимин гуанозин цитидин уридин тимидин В случае дезоксирибонуклеотидов к названию основания прибавляется «дезокси» основаниенуклеозид Кирюхин Д.О.

Известны также циклические нуклеотиды, в которых фосфорная кислота образует сложноэфирные связи одновременно с 5 и 3-атомами углерода рибозного цикла. Это аденозин-3,5-циклофосфат (цАМФ) и гуанозин-3,5- циклофосфат (цГМФ). Эти два нуклеотида не входят в состав НК, но играют роль передатчиков, вторичных посредников (мессенджеров) сигналов в клетке, стимулируя переход белков из неактивного состояния в активное, или наоборот.

Гуанозин-5-дифосфат-3-дифосфат внутриклеточный регулятор метаболизма бактерий

Соединение двух нуклеотидов в динуклеотид 3,5- фосфодиэфирной связью

Первичная структура нуклеиновых кислот - это порядок чередования нуклеотидов, связанных друг с другом в линейной последовательности 3',5'- фосфодиэфирной связью. В результате образуются полимеры с фосфатным остатком на 5'-конце и свободной -ОН- группой пентозы на 3'-конце.

Первичная структура нуклеиновых кислот Х = Н для ДНК, Х = ОН для РНК Связи в молекуле нуклеиновых кислот: 1 - 5'-фосфоэфирная (или сложноэфирная); 2 - N- гликозидная; 3 - 3',5'- фосфодиэфирная. Чтение последовательности производится от 5`-конца к 3`- концу.

Для краткого изображения последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах пользуются однобуквенным кодом. При этом запись осуществляют слева направо таким образом, что первый нуклеотид имеет свободный 5'-фосфатный конец, а последний -ОН группу в положении 3' рибозы или дезоксирибозы. Так, первичная структура ДНК может быть записана следующим образом: CGTAAGTTCG... Если в изображаемом фрагменте ДНК нет Т, то перед началом записи ставится приставка д- (дезокси). Иногда полинуклеотидная цепь имеет противоположное направление, в этих случаях направление цепей обязательно указывается от 5'- к 3'- или от 3'- к 5'-концу. Первичную структуру РНК можно представить таким образом: САUUAGGUAA...

Пространственная структура ДНК

Вторичная структура ДНК представлена двойной спиралью, в которой две полинуклеотидные цепи расположены антипараллельно и удерживаются относительно друг друга за счет взаимодействия между комплементарными азотистыми основаниями. Полинуклеотидные цепи молекулы ДНК неидентичны, но комплементарны друг другу.

Все основания цепей ДНК расположены внутри двойной спирали, а пентозофосфатный остов - снаружи. Полинуклеотидные цепи удерживаются относительно друг друга за счёт водородных связей между комплементарными пуриновыми и пиримидиновыми азотистыми основаниями А и Т (две связи) и между G и С (три связи). При таком сочетании каждая пара содержит по три кольца, поэтому общий размер этих пар оснований одинаков по всей длине молекулы. Водородные связи при других сочетаниях оснований в паре возможны, но они значительно слабее. Комплементарые основания уложены в стопку в сердцевине спирали. Между основаниями двухцепочечной молекулы в стопке возникают гидрофобные взаимодействия (стекинг- взаимодействия), стабилизирующие двойную спираль.

наибольшее перекрывание наименьшее перекрывание Комплементарные основания обращены внутрь молекулы, лежат в одной плоскости, которая практически перпендикулярна оси спирали. В результате образуется стопка оснований, между которыми возникают гидрофобные взаимодействия, обеспечивающие основной вклад в стабилизацию структуры спирали.

Существует несколько форм правозакрученной двойной спирали ДНК. В клетке ДНК чаще всего находится в В- форме, в которой на один виток спирали приходится до 10 пар нуклеотидов. В А- форме на 1 виток приходится 11 пар нуклеотидов, а в С- форме – 9,3 пар нуклеотидов. Цепи ДНК образуют 2 желоба - малую и большую борозды. Считается, что в А-форме ДНК принимает участие в процессах транскрипции, а в В- форме – в процессах репликации. Кроме правозакрученной спирали существует одна левая спираль ДНК - (Z -форма), в которой на один виток приходится 12 пар нуклеотидов.

Третичная структура ДНК формируется при ее взаимодействии с белками. Каждая молекула ДНК упакована в отдельную хромосому, в составе которой разнообразные белки связываются с отдельными участками ДНК и обеспечивают суперспирализацию и компактизацию молекулы. Общая длина ДНК гаплоидного набора из 23 хромосом человека составляет 3,5 × 10 9 пар нуклеотидов. Хромосомы образуют компактные структуры только в фаз уделения. В период покоя комплексы ДНК с белками равномерно распределены по объему ядра, образуя хроматин. Белки хроматина делят на две группы: гистоны и негистоновые белки.

Гистоны - это небольшие белки с высоким содержанием положительно заряженных аминокислот лизина и аргинина. Они взаимодействуют с отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК длиной около 146 нуклеотидных пар, образуя нуклеосомы. Между нуклеосомами находится участок ДНК, включающий около 30 нуклеотидных пар, - линкерный участок, к которому также присоединяется молекула гистона. Негистоновые белки представлены множеством ферментов и белков, участвующих в синтезе ДНК и РНК, регуляции этих процессов, а также структурных белков, обеспечивающих компактизацию ДНК.

Взаимодействие гистонов и ДНК Участок суперспирали ДНК

Пространственная структура РНК

Вторичная структура РНК формируется в результате спирализации отдельных участков одноцепочечной РНК. В спирализованных участках или шпильках комплементарные пары азотистых оснований А и U, G и С соединяются водородными связями. Длина спирализованных участков невелика, содержит от 20 до 30 нуклеотидных пар. Эти участки чередуются с неспирализованными участками молекулы. Третичная структура РНК формируется за счет образования дополнительных водородных связей между нуклеотидами, полинуклеотидной цепью и белками, стабилизируется ионами Мg 2+ и обеспечивает дополнительную компактизацию и стабилизацию пространственной структуры молекулы.

Минорные основания входят в состав 10% от всех нуклеотидов. Обнаружено до 50 разновидностей. Встречаются в т-РНК, р-РНК и митохондриальной ДНК. Минорные основания выполняют 2 функции: они делают НК устойчивыми к действию нуклеаз и поддерживают определённую третичную структуру молекулы, так как не могут участвовать в образовании комплементарных пар, и препятствуют спирализации определённых участков в полинуклеотидной последовательности тРНК.

Типы клеточной РНК в зависимости от функций. Вид РНКРазмер в нуклеотидах Функции 1Гетерогенный ядерные РНК (гяРНК) Проматричные РНК, которые в дальнейшем превратятся в матричные РНК 2Информационные или матричные РНК (иРНК или мРНК) Являются матрицами для синтеза белков 3Транспортные РНК (тРНК) 70-90Поставляют аминокислоты в ходе синтеза белков 4Рибосомальные РНК (рРНК) Несколько классов с размерами от 100 до Являются строительными блоками рибосом 5Малые ядерные РНК (мяРНК) Участвуют в упаковке рибопротеиновых частиц, сплайсинге и т.д.

Транспортные РНК (тРНК) являются молекулами-адапторами, у которых к 3'-концу присоединяется аминокислота, а участок антикодона - к мРНК. Семейство тРНК включает более 30 различных по первичной структуре молекул, состоящих примерно из 80 нуклеотидов. Особенностью тРНК является содержание 10-20% модифицированных или минорных нуклеотидов. Вторичная структура тРНК описывается как структура клеверного листа, где наряду с 70% спирализованных участков имеются одноцепочечные фрагменты, не участвующие в образовании водородных связей между нуклеотидными остатками. К ним, в частности, относят участок, ответственный за связывание с аминокислотой на 3'-конце молекулы и антикодон - специфический триплет нуклеотидов, взаимодействующий комплементарно с кодоном мРНК. На долю тРНК приходится около 15% всей РНК клетки.

Рибосомные РНК (рРНК) составляют около 80% всей РНК клетки и входят в состав рибосом. В цитоплазматические рибосомы эукариот входит 4 типа рРНК с разной константой седиментации (КС) - скоростью оседания в ультрацентрифуге (различают рРНК - 5S, 5,8S, 28S и 18S (S - коэффициент седиментации)). рРНК образуют комплексы с белками, которые называют рибосомами. Каждая рибосома состоит из двух субъединиц - малой (40S) и большой (60S). Комплекс большой и малой субъединиц рибосомы образует компактную частицу и имеет КС 80S. Матричные РНК (мРНК), или информационные, составляют 2-4% всей РНК клетки. Они чрезвычайно разнообразны по первичной структуре, и их количество столь же велико, как и число белков в организме, так как каждая молекула мРНК является матрицей в синтезе соответствующего белка.

Отличия между РНК и ДНК: количество цепей: в РНК одна цепь, в ДНК две цепи, размеры: ДНК намного крупнее, локализация в клетке: ДНК находится в ядре, почти все РНК – вне ядра, вид моносахарида: в ДНК – дезоксирибоза, в РНК – рибоза, азотистые основания: в ДНК имеется тимин, в РНК – урацил. функция: ДНК отвечает за хранение наследственной информации, РНК – за ее реализацию.

Таким образом, нуклеотиды, мононуклеотиды и олигонуклеотиды присутствуют в цитоплазме клеток и ее органеллах, выполняя определенные функции. 1. Структурная функция - участвуют в построении нуклеиновых кислот, некоторых коферментов и ферментов.

2. Энергетическая. Макроэргические молекулы (макроэрги) биологические молекулы, которые способны накапливать и передавать энергию в ходе реакции. При гидролизе одной из связей высвобождается более 20 к Дж/моль в отличие от простой связи, энергия которой составляет около 13 к Дж/моль. Все нуклеозидтрифосфаты и нуклеозиддифосфаты (АТФ, ГДФ и их аналоги) содержат одну или две фосфоангидридные связи, энергия каждой из них составляет 32 к Дж/моль.

Макроэргические связи

При отщеплении от молекулы АТФ (ГТФ и т.д.) одного или двух остатков фосфорной кислоты образуется соответственно молекула АДФ (аденозиндифосфат) или АМФ (аденозинмонофосфат).

Наличие макроэргических связей в нуклеотидах позволяет им являться активаторами и переносчиками мономеров в клетке: УТФ - уридин трифосфорная кислота используется для синтеза гликогена, ЦТФ - цитидинтрифосфорная кислота - для синтеза липидов, ГТФ гуанозинтрифосфат - для движения рибосом в ходе трансляции (биосинтез белка) и передачи гормонального сигнала (G-белок).

3. Регуляторная. Мононуклеотиды - аллостерические эффекторы многих ключевых ферментов, цАМФ и цГМФ являются посредниками в передаче гормонального сигнала при действии многих гормонов на клетку (аденилатциклазная система), они активируют протеинкиназы. Таким образом, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты выполняют решающие функции по поддержанию гомеостаза организма.