Основы молекулярной биологии. Часть 1: Молекулярная биология клетки - А.Н. Огурцов 2011

Нуклеиновые кислоты и белки
Нуклеиновые кислоты

Нуклеотиды соединяются друг с другом в полимерную цепочку с помощью фосфодиэфирных связей (рисунок 64). Азотистые основания не принимают участия в соединении нуклеотидов одной цепи.

Рисунок 64 - Строение тетрадезоксинуклеотида 5'-d(TACG)

В природных полинуклеотидах, будь то дезоксирибополимеры или рибополимеры, остаток фосфорной кислоты всегда связывает 3'- и 5'- гидроксигруппы соседних нуклеозидов (3'→5'-связь). Таким образом, полинуклеотидные цепи имеют определенную направленность, и каждая полинуклеотидная цепь имеет 5'- и 3'-концы.

Ковалентный сахарофосфатный остов нуклеиновой кислоты состоит из монотонно чередующихся фосфатных и пентозных групп. Нуклеиновые основания можно рассматривать как боковые радикалы, присоединенные к остову на равных расстояниях.

Отметим, что сахарофосфатный остов нуклеиновой кислоты несет отрицательный заряд, поскольку фосфатные остатки ионизованы при физиологических значениях pH (~7).

Комплементарные друг другу одноцепочечные молекулы нуклеиновой кислоты способны образовывать двухцепочечную спиральную структуру. Внутри этой спирали аденин образует пару с тимином, а гуанин - с цитозином. Аденин соединяется с тимином двумя водородными связями (А=Т), а гуанин соединяется с цитозином тройной водородной связью (Г=Ц) (рисунок 65).

Рисунок 65 - Схема связывания уотсон-криковских пар водородными связями

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.

Структуру двойной спирали открыли в 1954 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик. Наиболее известна наглядная модель двойной спирали ДНК в виде винтовой лестницы, в которой поперечные "ступеньки" - это комплементарные пары оснований, а "боковины" - сахарофосфатный остов (рисунок 66).

Рисунок 66 - Схемы нуклеиновых оснований и образования РНК и ДНК. 1 - нуклеиновые основания; 2 - уотсон-криковские пары; 3 - сахарофосфатный остов

В состав ДНК входит аденин, тимин, цитозин и гуанин, в РНК вместо тимина входитурацил.

Пространственная структура нуклеиновой кислоты определяется взаимодействиями оснований каждого нуклеотида. Поскольку нуклеиновые основания имеют ароматическую структуру, то они располагаются стопкой одно над другим в водном растворе. Такой процесс формирования стопок из плоских циклических органических молекул называется стекинг (рисунок 67(1)). Кроме того, нуклеиновые основания спариваются друг с другом с помощью водородных связей (рисунок 67(2)).

Рисунок 67 - Схема межатомных связей в ДНК: 1 - стекинг; 2 - водородные связи; 3 - сахарофосфатный остов

Такая комбинация двух типов взаимодействий: нормальных взаимодействий, формирующих стопки оснований (стекинг) и перпендикулярных им латеральных взаимодействий между нуклеиновыми основаниями посредством водородных связей формируют известную структуру двойных спиралей ДНК и определенных участков РНК.

ДНК - это большой архив, в котором хранится информация, а РНК - это молекулы, которые переносит информацию из ядра в цитоплазму и обеспечивают синтез белков.

С различием в функциях связаны различия в строении ДНК и РНК, которые суммированы таблице 3.

Таблица 3 - Отличия между ДНК и РНК

РНК более химически активна из-за того, что её сахар - рибоза - имеет в своем составе гидроксильную группу, а в дезоксирибозе кислорода нет. Из-за отсутствия кислорода ДНК более инертна, что важно для её функции хранения информации, чтобы она не вступала ни в какие реакции. Виды РНК перечислены в таблице 4.

Итак, перечислим основные принципы строения ДНК.

1. Нерегулярность. Существует регулярный сахарофосфатный остов, к которому присоединены азотистые основания. Их чередование нерегулярно.

2. Антипараллельность. ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, ориентированных антипараллельно. 3'-конец одной расположен напротив 5'-конца другой.

3. Комплементарность (дополнительность). Каждому азотистому основанию одной цепи соответствует строго определенное азотистое основание другой цепи.

4. Наличие регулярной вторичной структуры. Две комплементарные, антипараллельно расположенные полинуклеотидные цепи образуют правые спирали с общей осью.

Таблица 4 - Виды РНК

Существуют несколько форм двойной спирали ДНК.

В-форме является основной, в неё на виток приходится 10 комплементарных пар. Плоскости азотистых оснований перпендикулярны оси спирали. Соседние комплементарные пары повернуты друг относительно друга на 36°. Диаметр спирали составляет 20 Å, причем пуриновый нуклеотид занимает 12 Å, а пиримидиновый - 8 Å.

А-форма состоит из 11 пар азотистых оснований на виток. Плоскости азотистых оснований отклонены от нормали к оси спирали на 20°. Отсюда следует наличие внутренней пустоты диаметром 5 Å. Высота витка равна 28 Å Такие же параметры у гибрида из одной цепи ДНК и одной цепи РНК.

С-форма имеет шаг спирали 31 Å, 9,3 пар оснований на виток, угол наклона к перпендикуляру 6°.

Все три формы - А, В, и С - правозакрученные спирали.

Есть ещё несколько форм правых спиралей и всего одна левая спираль (Z -форма). Высота витка в Z-форме - 44,5 Å, на виток приходится 12 пар нуклеотидов.

Ни А-, ни Z- формы не могут существовать в водном растворе без дополнительных воздействий (стабилизация белками или суперспира- лизация ДНК).

Перечислим основные функции ДНК.

1. ДНК является носителем генетической информации, что обеспечивается фактом существования генетического кода.

2. Воспроизведение и передача генетической информации в поколениях клеток и организмов. Эта функция обеспечивается процессом репликации.

3. Реализация генетической информации в виде белков, а также любых других соединений, образующихся с помощью белков- ферментов. Эта функция обеспечивается процессами транскрипции и трансляции.