Мигрирующие элементы ДНК

В последнее десятилетие накопились данные о существовании «прыгающих генов», т.е. таких участков ДНК, которые могут перемещаться из одних частей генома в другие. Эти мигрирующие элементы ДНК участвуют в регуляции действия генов и индуцировании хромосомных перестроек. Они способствуют осуществлению необычных рекомбинационных событий. Мигрирующие элементы прокариот делят на два типа: IS-элементы и транспозоны. 

Бактериальные плазмиды

В цитоплазме многих бактерий кроме хромосомной ДНК содержатся добавочные маленькие кольцевые молекулы ДНК, присутствие которых необязательно для жизни клетки. Они получили название плазмид. Плазмиды способны автономно размножаться, стабильно наследуются, т.е. сохраняются без специальной селекции во внехромосомном состоянии. Некоторые плазмиды могут включаться в хромосому бактерии, они называются эписомами. 

Цитоплазматическая ДНК

В цитоплазме эукариот содержится небольшое количество ДНК (менее 1% всей ДНК клетки). Она получила название цитоплазматическойи отличается от ядерной ДНК по нуклеотидному составу и молекулярной массе. Заключенная в ней генетическая информация обусловливает цитоплазматическую наследственность. Цитоплазматические гены находятся в митохондриях и хлоропластах.

Третичная структура ДНК и организация хроматина в эукариотических клетках

Третичная структура ДНК эукариотических клеток также выражена в многократной суперспирализации молекулы, однако в отличие от прокариот она осуществляется в форме комплексов ДНК с белками. ДНК эукариот почти вся находится в хромосомах ядер, лишь небольшое количество ее содержится в митохондриях, а у растений и в пластидах. Суммарный материал хромосом – хроматин – содержит ДНК, гистоны, негистоновые белки, небольшое количество РНК. 

Третичная структура ДНК бактерий и вирусов

В частицах вирусов, клетках бактерий, как и в ядрах высших организмов, ДНК плотно «упакована», образует сложные структуры. Например, в хромосоме E. coli содержится ДНК длиной более 1 мм, хотя длина клетки не превышает 5 мкм. Одна из самых мелких молекул ДНК – вирусная, однако если ее вытянуть, то она будет во много раз длиннее, чем сам вирус. 

Физико-химические свойства ДНК

Хромосомы животных, бактерий, вирусов, содержат по одной непрерывной ДНК-спирали огромной длины по сравнению с размерами ядра. Молекулярная масса ДНК определена с помощью ряда методов. Классический метод ультрацентрифугирования позволяет определять размеры ДНК в пределах M=2•10⁵-1•10⁹. Более длинные молекулы разрываются при ультрацентрифугировании, поэтому их молекулярную массу определяют по вязкости. 

Вторичная структура ДНК

Выяснение вторичной структуры ДНК – это одно из крупнейших открытий в биологии, поскольку при этом одновременно был раскрыт механизм передачи наследственной информации в ряду поколений. В 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик установили, что ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух антипараллельных полинуклеотидных цепей. Это заключение явилось результатом большого числа экспериментальных данных и первичных обобщений. К ним относятся работы Э. Чаргаффа и его сотрудников, которые показали, что нуклеотидный состав ДНК жестко сбалансирован. Важное значение имели результаты рентгеноструктурного анализа ДНК, полученные Р. Франклин, М. Вилкинсом с сотрудниками (1953). Они свидетельствуют о том, что полинуклеотидная цепь ДНК расположена в форме спирали с периодом идентичности (шагом) 3,4 нм и расстоянием между плоскостями оснований 0,34 нм. Физико-химическими исследованиями было установлено, что в молекуле ДНК между амино- и кетогруппами азотистых оснований образуются водородные связи. 

Первичная структура ДНК

Структура нуклеиновых кислот лучше изучена у простейших живых существ – прокариот. К ним относятся бактерии, синезеленые водоросли, риккетсии и микоплазмы. В клетках прокариот содержится единственная хромосома, состоящая из одной молекулы ДНК, которая не отделена от цитоплазмы мембраной. Наиболее подробно исследована структура нуклеиновых кислот, выделенных из различных штаммов и мутантов E. coli и ее бактериофагов. Позднее начали изучать генетический материал эукариотических клеток. К ним относятся клетки животных, растений, грибов, простейших, большей части видов водорослей. Эукариотические клетки содержат ядро, окруженное мембраной. Ядерный материал распределяется между несколькими хромосомами, основу которых составляют ДНК и белки (главным образом, гистоны). 

Строение полинуклеотидной цепи*

*Иногда употребляется также и термин нить. 

Нуклеотиды – это повторяющиеся мономерные единицы олигонуклеотидов и полинуклеотидов. Олигонуклеотиды построены из нескольких мономеров, полинуклеотиды – из многих. Нуклеиновые кислоты представляют собой полинуклеотиды, построенные из мономеров – нуклеотидов, число которых колеблется от 7 десятков до сотен миллионов. 

Нуклеотиды и нуклеозиды

В нуклеиновых кислотах пуриновые азотистые основания через 9-ый атом, а пиримидиновые – через 1-ый образуют N-гликозидную связь с пентозой рибозой или 2’-дезоксирибозой. 

Компоненты нуклеиновых кислот

При полном гидролизе нуклеиновых кислот образуются пуриновые и пиримидиновые азотистые основания, моносахарид пентоза (рибоза или дезоксирибоза) и фосфорная кислота. В выделении и доказательстве присутствия рибозы в нуклеиновых кислотах большую роль сыграли работы советского физиолога и биохимика Е.С. Лондона (1929). 

Открытие нуклеиновых кислот и их биологическая роль

В 1868 году швейцарский исследователь Ф. Мишер впервые выделил из ядер лейкоцитов человека соединения нового типа, ранее неизвестные, которые он назвал нуклеинами (от лат. nucleus – ядро). Вскоре сотрудники лаборатории Ф. Гоппе-Зейлера, в которой работал Ф. Мишер, в том числе и наш соотечественник Н. Любавин, выделили нуклеины из эритроцитов птиц, рептилий, из дрожжевых клеток и ряда других объектов. Позднее Ф. Мишер установил, что нуклеин – это сложное соединение, состоящее из кислого компонента с высоким содержанием фосфора (в 1889 году этот компонент назвали нуклеиновой кислотой) и белкового компонента. Так были открыты нуклеиновые кислоты и новая группа сложных белков, содержащая их, – нуклеопротеины. Долгое время считали, что белковые компоненты нуклеопротеинов представлены только белками основного характера – гистонами и протаминами. В 1939 году одним из основателей молекулярной биологии в СССР академиком А.Н. Белозерским и его сотрудниками в растительных нуклеопротеинах были обнаружены кислые белки типа альбуминов и глобулинов. 

Нуклеиновые кислоты: введение

Нуклеиновые кислоты (НК) играют огромную биологическую роль. Они осуществляют перенос генетической информации в живых существах от одного поколения к другому. Это происходит путем управления точным ходом биосинтеза белков в клетках. 

Пиримидиновые и пуриновые основания

Гетероциклические соединения 

Циклические соединения, содержащие в цикле не только углеродные атомы, но и атомы других элементов (O, N, S и др.), называют гетероциклическими (от греч. heteros – иной, разный).  

Гетероциклические соединения широко распространены в природе. Огромное количество их получено синтетически. Это привело к тому, что возник самостоятельный раздел в органической химии – химия гетероциклических соединений. 

Гетероциклы играют большую роль в биологии, медицине, сельском хозяйстве, технике. Они входят в состав витаминов, антибиотиков, животных и растительных клеток. Используют их в качестве биокатализаторов. 

Гетероциклические соединения обычно классифицируют по размеру цикла. Наиболее устойчивыми являются пяти- и шестичленные гетероциклы. 

Изомерия аминокислот: детали

Изомерия: общие понятия 

Изомерами называются вещества одинакового состава (т.е. имеющие одинаковую суммарную формулу), но обладающие различными физическими и химическими свойствами. Если изомеры различаются порядком связи атомов, говорят о структурной изомерии (например, цитрат и изоцитрат, лейцин и изолейцин). Причиной других форм изомерии является различное расположение заместителей при двойной связи или наличие в молекуле хирального центра. 

Белки: введение

Белки (протеины) – азотсодержащие биополимеры, состоящие из соединенных в определенной последовательности пептидными связями остатков молекул альфа-аминокислот. 

Являясь высшей формой развития органического мира, белки служат основой всего живого на Земле. 

Характеристика отдельных протеиногенных аминокислот

Характеристика отдельных протеиногенных аминокислот 

(1) – алифатические 

Глицин (гликокол, альфа-аминоуксусная кислота) – единственная оптически неактивная аминокислота. Имеет сладкий привкус и является одной из самых распространенных. Особенно много ее в желатине. Является предшественником при биосинтезе пуринов, порфириновой части гемоглобина, хлорофилла, геминовых ферментов. Участвует в образовании клеточных стенок бактерий. Функционирует как тормозный медиатор в спинном мозге и в большинстве структур ствола мозга, где находится в высоких концентрациях.

L-аланин (альфа-аминопропионовая кислота) содержится практически во всех белках. Играет большую роль в обмене азотистых соединений. Может быть исходным продуктом для синтеза каротиноидов, каучука, жиров и углеводов.

L-валин (альфа-аминоизовалериановая кислота) обладает способностью к гидрофобным взаимодействиям, что важно при создании и стабилизации структуры белковой молекулы. Содержится во многих белках, но обычно в небольших количествах. Участвует в синтезе алкалоидов, некоторых циклопептидов, пантотеновой кислоты, пенициллина.

L-лейцин (альфа-аминоизокапроновая кислота) и L-изолейцин (альфа-амино-бета-этил-бета-метилпропионовая кислота) плохо растворимы в воде. В белках содержатся в незначительных количествах, способны к гидрофобным взаимодействиям. Являются источником сивушных масел при брожении. 

Протеиногенные аминокислоты

Протеиногенные аминокислоты. 20 аминокислот кодируются генетическим кодом и включаются в белки в процессе трансляции. Классификация этих аминокислот основана на химическом строении и полярности боковых цепей. Выделяют: 

1)      Алифатические (глицин, аланин, валин, лейцин, *изолейцин – 5); 

2)     Серосодержащие (цистеин, метионин – 2); 

3)     Ароматические (фенилаланин, тирозин, триптофан – 3); 

4)     Иминокислота (пролин – 1); 

5)     Гидроксикислоты/содержащие гидроксильную группу (серин, *треонин – 2); 

6)     Содержащие дополнительную аминогруппу/карбоксамидную группу (аспарагин, глутамин – 2); 

7)     Заряженные:

7.1) отрицательно – кислые (аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота – 2); 

7.2) положительно – основные (гистидин, лизин, аргинин – 3). 

*Изолейцин и треонин содержат дополнительный хиральный центр.

Валин, лейцин, изолейцин; метионин; фенилаланин, триптофан; треонин; лизин – незаменимые аминокислоты (8): они не синтезируются в организме человека и должны поступать вместе с пищей. 

Аминокислоты

Аминокислота – органическое химическое соединение, в молекуле которого одновременно присутствуют аминогруппа –NH2 и карбоксильная группа –COOH. 

Поехали!