Реферат на тему Не уотсон-криковские пары нуклеотидов

Содержание:

Введение 2
Основная часть 4
Заключение 13
Список литературы 14

Введение:

Проблема структурно-функциональной организации молекул нуклеиновых кислот остается одной из фундаментальных проблем современной физико-химической биологии [1]. Главной здесь задачей является задача о природе формирования зависимости вторичной структуры молекулы ДНК от первичной нуклеотидной последовательности.
Основной вопрос формулируется так: Какова первопричина наблюдаемой значительной геометрической гетерогенности нуклеотидных шагов в молекуле ДНК при упаковке исходно плоских комплементарных пар азотистых оснований в структуре двойной спирали?
К настоящему времени накоплены убедительные свидетельства того, что процессы передачи генетической информации в клетке обусловливаются специфическими белокнуклеиновыми взаимодействиями и контролируются конформацией молекулы ДНК. И процесс узнавания конкретным белком конкретных мест ДНК и способность ДНК к значительным изгибовым деформациям определяются локальными структурными особенностями двойной спирали.
В то же время имеющиеся экспериментальные данные указывают на весьма нетривиальный характер появления конформационной неоднородности в структуре ДНК. С одной стороны, удивительно существование широкого полиморфизма форм двойных спиралей ДНК. Согласно постулированному в 50-х годах прошлого века принципу строгого пространственного изоморфизма плоских канонических АТ и GC пар разные.
Изоморфизм АТ и GC пар комплементарные двойные нуклеотидные последовательности должны обладать, вообще говоря, однотипной, регулярной укладкой азотистых оснований в структуре спирали. Однако в реальных условиях обнаруживается большое разнообразие устойчивых форм ДНК: A, A’, B, -B’, -B’, C, C’, C», D, E и Z . Они различаются числом пар оснований на виток, межплоскостными расстояниями между основаниями в стопках, межфосфорными расстояниями и некоторыми другими параметрами [1,2] При этом, A- и В- формы, а также С-, D- и E-, образуют семейство правовинтовых спиралей. Тогда как Z- форма — это левая двойная спираль.
Исходно плоские уотсон-криковские АТ и GC спаривания оснований оказывается могут реализовывать разные неплоские укладки пар, с доминированием деформаций типа «пропеллера», «ступеньки» или «излома» водородных связей оснований.[1,3-5]. Здесь тоже распространено представление, что гетерогенность геометрии в упаковке пар обусловлена различием вкладов стэкинговых возмущений в структуре разных последовательностей нуклеотидов [1].
Однако, стэкинговая гипотеза о происхождении структурной неоднородности двойной спирали ДНК не позволяет, на наш взгляд, непротиворечивым образом согласовать накопленные экспериментальные данные. Во-первых, относительная малость энергии стэкинговых взаимодействий оснований, по сравнению с энергетикой водородного связывания пар, не может удовлетворительно объяснить существование весьма значительных угловых искажений, доходящих до ~ 390, водородных связей оснований как в «пропеллероподобных», так и в других структурах пар в двойных спиралях олигонуклеотидов [3, 6].
Во-вторых, вообще становится непонятным появление очень больших деформаций в одиночных парах оснований, достигающих подчас ~ 490, в структуре монокристаллов нуклеозидов и нуклеотидов [3].
В-третьих, оставаясь в рамках стэкинговой гипотезы весьма трудно понять наличие симметрии в распределении углов пропеллерового разворота плоскостей оснований во всем многообразии пар: водородное спаривание оснований реализуется не только с разными положительными, но и с разными отрицательными значениями угла пропеллера [3]. Указанные обстоятельства вынуждают некоторых экспериментаторов выдвигать предположение, что наблюдаемая некопланарность Н-спаривания оснований есть, вероятно, внутреннее свойство самих пар.
Пары оснований Уотсона-Крика играют решающую роль в образовании двухспиральной дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и в хранении генетической информации. Они состоят из двух наиболее распространенных геометрий, включающих спаривание дезоксиаденозина (dA) с дезокситимидином (dT) и дезоксигуанозина (dG) с дезоксицитидином (dC) путем образования двух и трех водородных связей, соответственно. Комплементарность антипараллельных нитей, образующих двойную спираль, имеет решающее значение для репликации ДНК, поскольку комплементарная нить синтезируется путем добавления комплементарных оснований Уотсона–Крика родительской нити. Гибридизация нитей ДНК или ДНК–РНК (рибонуклеиновой кислоты) широко используется в биотехнологии и молекулярной биологии в различных целях. Стабильность спирали нуклеиновой кислоты зависит от ее последовательности, конформации, гидратации и условий раствора, и она измеряется температурно‐зависимыми методами, такими как УФ (ультрафиолетовое) плавление.

Заключение:

Нуклеотиды потенциально способны образовывать гораздо больше водородных связей, чем только классические уотсон-криковские пары. Многие такие связи обнаружены в синтетических поли нукеотидах. Однако неуотсон-криковское спаривание и водородные связи с участием сахаро-фосфатного остова играют важную роль в организации структуры тРНК. Они должны образовывать множество связанных водородными связями пар другой структуры. Некоторые из этих пар обнаруживаются экспериментально для производных нуклеозидов и нуклеотидов, а так-в комплексах ряда синтетических поли нуклеотидов. Однако квантово-механические расчеты показывают, что уотсон-криковские А-Т-(в случае РНК —А-1]-) и О-С-пары энергетически наиболее выгодны. Происходит это потому, что в этих парах центры с повышенной и пониженной электронной плотностью оснований расположены оптимально друг относительно друга.
Уже на раннем этапе изучения пространственной структуры ДНК выяснилось, что при изменении внешних условий двойная спираль может принимать формы, отличные от уотсон-криковской (В-фор-мы). Так, при понижении влажности (в препарате образца для рентгеноструктурного анализа) или активности воды в растворе (при добавлении спирта, например) ДНК переходит в так называемую А-форму. Этот переход связан в первую очередь с изменением конформации углеводного остатка. Основной элемент их вторичной структуры — сравнительно короткие двойные спирали, образованные комплементарными участками одной и той же цепи и перемежающиеся ее однотяжевыми сегментами. Полирибонуклеотидные цепи в таких двуспиральных структурах антипараллельны, а сами двойные спирали, находящиеся в А-форме, не идеальны в них имеются дефекты в виде неспаренных нуклеотидных остатков или не вписывающихся в двойную спираль однотяжевых петель. Наряду с классическими уотсон-криковскими парами (А-и и О-С) в двутяжевых участках РНК часто встречается пара О-и. Таким образом, стабильность двутяжевых районов поддерживается комплементарными и межплоскостными взаимодействиями оснований. В одно тяжевых участках наблюдаются сильные стэкинг-взаимодействия оснований, вследствие чего они стремятся принять конформацию однотяжевой спирали.
Замечательной чертой строения уотсои-криковских пар является то, что обе пары имеют почти точно одинаковые размеры (расстояния между атомами азота, связанными с сахаром). Именно благодаря этому в структуру двойной спирали вписываются любые последовательности пар оснований.

Фрагмент текста работы:

ДНК-это длинный полимер, сделанный из повторяющихся единиц, называемых нуклеотидами. Уотсон и Фрэнсис Крик, структура ДНК всех видов состоит из двух спиральных цепочек, каждая из которых свернута вокруг одной оси, и каждая с шагом 34 Ангстрема (3,4 нанометра) и радиусом 10 Ангстремов (1,0 нанометра). Согласно другому исследованию, при измерении в определенном растворе длина цепи ДНК составляла от 22 до 26 Ангстремов в ширину (2,2-2,6 нанометра), а длина одной нуклеотидной единицы-3,3 Å (0,33 Нм). Хотя каждая отдельная повторяющаяся единица очень мала, полимеры ДНК могут быть очень большими молекулами, содержащими миллионы нуклеотидов. Например, самая большая хромосома человека, хромосома номер 1, имеет длину около 220 миллионов пар оснований. В живых организмах ДНК обычно существует не как одна молекула, а как пара молекул, которые крепко связаны друг с другом. Эти две длинные нити переплетаются, как виноградные лозы, в форме двойной спирали. Нуклеотидные повторы содержат как сегмент позвоночника молекулы, который удерживает цепь вместе, так и основание, которое взаимодействует с другой нитью ДНК в спирали. Базы связаны с сахаром называется нуклеозидов и базы связаны с сахаром и одного или более фосфатных групп называется нуклеотидом. Если несколько нуклеотидов связаны вместе, как в ДНК, этот полимер называется полинуклеотидом. Костяк ДНК состоит из чередующихся остатков фосфата и сахара. Сахар в ДНК-это 2-дезоксирибоза, которая является пентозным (пятиуглеродным) сахаром. Сахара соединяются фосфатными группами, которые образуют фосфодиэфирные связи между третьим и пятым атомами углерода соседних сахарных колец. Эти асимметричные связи означают, что нить ДНК имеет направление. В двойной спирали направление нуклеотидов в одной нити противоположно их направлению в другой нити: нити антипараллельны. Асимметричные концы нитей ДНК называются 5′ (пять простых) и 3 ‘(три простых) концами, причем 5’ конец имеет терминальную фосфатную группу, а 3 ‘ конец терминальной гидроксильной группы. Одним из основных различий между ДНК и РНК является сахар, причем 2-дезоксирибоза в ДНК заменяется альтернативной пентозной сахарной рибозой в РНК.[1][2]
Двойная спираль ДНК стабилизируется в основном двумя силами: водородными связями между нуклеотидами и взаимодействиями между ароматическими основаниями. В водной среде клетки сопряженные π-связи нуклеотидных оснований выравниваются перпендикулярно оси молекулы ДНК, минимизируя их взаимодействие с сольватационной оболочкой и, следовательно, свободной энергией Гиббса. Четыре основания, найденные в ДНК, — это аденин (сокращенно, а), цитозин (с), гуанин (Г) и тимин (Т). Эти 4 основания прикреплены в сахар/фосфат для того чтобы сформировать полный нуклеотид, как показано для монофосфата аденозина. Эти основания расклассифицированы в 2 типа; аденин и гуанин сплавленные 5 — и 6-членные гетероциклические смеси, вызванные пуринами, пока цитозин и тимин 6-членные кольца, вызванные пиримидинами. Пятое пиримидиновое основание, называемое урацилом (U), обычно занимает место Тимина в РНК и отличается от Тимина отсутствием метильной группы на его кольце. Урацил обычно не встречается в ДНК, встречается только как продукт распада цитозина. В дополнение к РНК и ДНК, большое количество искусственных аналогов нуклеиновой кислоты также были созданы для того чтобы изучить правильность.
Альфред Херши и Марта Чейз провели серию экспериментов в 1952 году, подтвердив, что ДНК является генетическим материалом, который был впервые продемонстрирован в эксперименте Эйвери–Маклауда–Маккарти 1944 года. Эти эксперименты известны как эксперименты Херши Чейза. Существование ДНК было известно биологам с 1869 года, большинство из них предполагали, что белки несут информацию для наследования того времени. Херши и Чейз проводили свои эксперименты на Фаге Т2. Фаг состоит из белковой оболочки, содержащей его генетический материал. Фаг заражает бактерию, прикрепляясь к ее внешней мембране и впрыскивая ее генетический материал и оставляя ее пустую оболочку прикрепленной к бактерии.
В своей первой серии экспериментов Херши и Чейз маркировали ДНК фагов радиоактивным фосфором-32 (Р32) (элемент фосфор присутствует в ДНК, но не присутствует ни в одной из 20 аминокислот, входящих в состав белков). Они позволили фагам заразить E. coli и с помощью нескольких изящных экспериментов смогли наблюдать перенос меченой фаговой ДНК P32 в цитоплазму бактерии. Во второй серии экспериментов фаги были помечены радиоактивной серой-35 (сера присутствует в аминокислотах цистеине и метионине, но не в ДНК). После заражения E. coli они затем срезали вирусные белковые оболочки с инфицированных клеток с помощью высокоскоростного блендера и отделили клетки и вирусные оболочки с помощью центрифуги. После разделения радиоактивный трассировщик S35 наблюдался в белковых оболочках, но не в инфицированных бактериях, что подтверждает гипотезу о том, что генетическим материалом, который заражает бактерии, является ДНК, а не белок.
Пара оснований ( bp ) представляет собой единицу, состоящую из двух нуклеиновых оснований, связанных друг с другом водородными связями . Они образуют строительные блоки двойной спирали ДНК и способствуют складчатой структуре как ДНК, так и РНК. Диктованные особыми закономерностями водородных связей, пары оснований Уотсона-Крика (гуанин- цитозин и аденин- тимин) позволяют спирали ДНК поддерживать правильную спиральную структуру, которая слегка зависит от ее нуклеотидной последовательности. [1] Дополнительный характер этой парно-ориентированной структуры обеспечивает избыточную копию генетической информации, закодированной в каждой цепи ДНК. Регулярная структура и избыточность данных, обеспечиваемые двойной спиралью ДНК, делают ДНК хорошо подходящей для хранения генетической информации, в то время как спаривание оснований между ДНК и входящими нуклеотидами обеспечивает механизм, посредством которого ДНК-полимераза реплицирует ДНК, а РНК-полимераза транскрибирует ДНК в РНК. Многие ДНК-связывающие белки могут распознавать специфические паттерны спаривания оснований, которые идентифицируют определенные регуляторные области генов.
Внутримолекулярные пары оснований могут встречаться в одноцепочечных нуклеиновых кислотах. Это особенно важно в молекулах РНК (например, трансферной РНК), где пары оснований Уотсона-Крика (гуанин-цитозин и аденин- урацил ) позволяют образовывать короткие двухцепочечные спирали и широкий спектр взаимодействий не-Ватсона-Крика (например, GU или AA) позволяют РНК складываться в широкий спектр специфических трехмерных структур. Кроме того, спаривание оснований между трансферной РНК (тРНК) и мессенджерной РНК (мРНК) формирует основу для событий молекулярного распознавания, которые приводят к трансляции нуклеотидной последовательности мРНК в аминокислотную последовательность белков через генетический код.