Нуклеиновые кислоты (днк и рнк): структура

В большинстве организмов генетическая информация хранится в виде ДНК, линейного полимера из четырех типов мономерных единиц - дезоксирибонуклеотидов , или просто нуклеотидов , которые связаны в длинную цепь фосфодиэфирными связями.

Типичная молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных полинуклеотидных цепей длиной от многих тысяч до нескольких миллионов нуклеотидов.

Нуклеотиды из разных цепей связаны между собой водородными связями, причем таким образом, что дезоксиаденозинмонофосфат всегда взаимодействует с дезокситимидинмонофосфатом (пары А-Т), а дезоксигуанозинмонофосфат - с дезоксицитидинмонофосфатом (пары Г-Ц). Таким образом, последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов второй цепи, то есть эти цепи комплементарны.

Различия в последовательности, составленной из четырех нуклеотидов, в молекулах ДНК лежат в основе генетического разнообразия.

Многие наследственные признаки устойчиво передаются от родителей к потомству, то есть последовательность нуклеотидов в ДНК должна точно копироваться, или реплицироваться . В процессе репликации две родительские цепи ДНК раскручиваются, разделяются и на каждой из них синтезируется по дочерней цепи. Нуклеотидная последовательность, несущая генетическую информацию, при этом сохраняется, так как в процессе синтеза каждый нуклеотид в дочерней цепи спаривается только с комплементарным ему нуклеотидом в родительской, или матричной, цепи.

На самом деле механизм репликации весьма сложен, хотя принцип его прост: две цепи ДНК расходятся, и каждая из них копируется с помощью набора ферментов так, чтобы против каждого нуклеотида исходной цепи ДНК оказался комплементарный ему нуклеотид. Так из одной двойной спирали образуется две ее одинаковых копии.

Классификация нуклеиновых кислот.

Нуклеиновые кислоты могут быть разделены на два класса:

1). рибонуклеиновые кислоты (РНК), содержащие рибозу, и

2). дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), в состав которых входит

дезоксирибоза. Те и другие являются линейными полимерами нуклеотидов , образующимися с помощью фосфорнодиэфирных связей между 5'- фосфатом одного нуклеотида и 3'-гидроксидной группой сахара соседнего нуклеотида ( Рис. Химическая структура однонитевой ДНК - http://humbio.ru/humbio/dnastructure/0000d026.htm ).

Нуклеотиды состоят из трех компонентов: пиримидинового или пуринового основания ( Пиримидиновые и пуриновые основания ), связанного с углеводом ( рибозой или дезоксирибозой ), и фосфата, этерифицирующего сахар по атомам С2', С3' или С5'. Этерификация по С5' наиболее распространена.

АЗОТИСТЫЕ ОСНОВАНИЯ

Пиримидины: структура

Все пиримидины являются производными гетероциклического соединения - пиримидина. Основные пиримидины, найденные в РНК ,- урацил и цитозин; в ДНК - тимин и цитозин. Основания в составе всех нуклеозидов и нуклеотидов замещены, и на Рис. Основания они приведены именно в таком виде.

Для описания этих оснований используются следующие обозначения: урацил - Ura, цитозин - Cyt, тимин - Thy. В некоторых нуклеиновых кислотах найдены метилированные и другие производные пиримидина.

Биологическая роль пиримидинов не ограничена нуклеиновыми кислотами. Некоторые пиримидиновые нуклеотиды играют важную роль в процессах обмена углеводов и липидов. Витамин В1 (тиамин) - пиримидиновое производное.

Все пиримидины способны к таутомерным превращениям, смотри Таутомерия оснований

Пурины: структура

Пурин, давший название всей группе, содержит шестичленное пиримидиновое кольцо, сочлененное со вторым кольцом, образованным еще двумя атомами азота и одним атомом углерода. Аденин (Ade) и гуанин (Guo) - основные пурины нуклеиновых кислот (смотри Рис. Основания ). Подобно пиримидинам, пурины склонны к таутомерии ( Таутомерия оснований ).

В ДНК с самым различным нуклеотидным составом отношения Аde/Thy и Guo/Cyt всегда равны единице ( Zamenhof S. ea, 1952 ). Эта закономерность строения ДНК известна в литературе как правило Чаргаффа.

НУКЛЕОЗИДЫ: СТРУКТУРА

Нуклеозиды - это N-гликозиды пиримидиновых или пуриновых оснований, в которых 1-й углеродный атом сахара - пентозы связан гликозидной связью с атомом N1 пиримидина или атомом N9 пурина . Пентозы всегда присутствуют в фуранозной форме. Существует два ряда нуклеозидов: рибонуклеозиды, которые содержат в качестве сахарного компонента D-рибозу, и 2'-дезоксирибонуклеотиды, содержащие 2-дезокси-D-рибозу ( Рис. Рибозы и дезоксирибозы - http://humbio.ru/humbio/dnastructure/0004c220.htm ). Далее см. Основные конформации сахара в нуклеиновых кислотах

Сахар: конформации в нуклеиновых кислотах

Пятичленное фуранозное кольцо обычно непланарно. Оно может принимать конформацию, подобную конверту (E, от англ. envelope), в которой четыре атома из пяти находятся в одной плоскости, а один атом выходит из нее на расстояние до 0.5 А, либо изогнутую твист-конформацию (T, от англ. twist), в которой любые два соседних атома смещены в разные стороны от плоскости, построенной по трем оставшимся атомам сахарного кольца. В обоих случаях атомы, выходящие из плоскости в ту же сторону, что и атом С5', называют эндо-атомами, а атомы, смещенные в противоположную сторону, экзо-атомами. Соответствующим образом обозначаются и конформации сахарных колец (см. Рис. Различные конформации сахара - http://humbio.ru/humbio/dnastructure/0004c1ea.htm ). Обычно четыре атома, определяющие плоскость кольца в Е-кон- формации, редко бывают строго компланарными, а смещение атомов от плоскости кольца в Т-конформации редко бывает симметричным. Большее отклонение от планарности называют главным выступом (major puckering), меньшее - минорным (minor puckering). При сокращенной записи символы эндо- и экзо-атомов ставят перед или после букв Е и Т в зависимости от того, о каком выступе идет речь - о главном или минорном. Несимметричная C3'-эндо-C2'-экзо- твист-конформация с C3'-главным и C2'-минорным выступами, обозначается - 3Т2, а подобная ей симметричная - 2Т3, C2'-эндо-конверт обозначается - 2Е, C3'-экзо-конверт - 3Е.

Описанные способы обозначения конформаций сахара являются приближенными и не могут отразить все промежуточные состояния, в которых находятся эти соединения. Для более полного анализа конформаций пятичленных колец использовали метод, основанный на понятии псевдовращения ( Hall L.D. ea, 1970 ).

Фуранозное кольцо находится в основном в двух конформациях:

С3'-эндо(N) и С2'-эндо(S) ( Saenger W., 1973 , de Leeuw H.P.M. ea, 1980 ).

Фуранозное кольцо в составе нуклеозидов замещено несимметрично, поэтому в нуклеозидах и нуклеотидах, структура которых определена кристаллографическими методами, фазовые углы псевдовращения Р распределены по циклу неравномерно. Они образуют две группы, концентрируясь в интервалах от -1 до 34 градусов (С3'-эндо) и от 137 до 194 градусов (С2'-эндо). В соответствии с расположением в цикле псевдовращения эти предпочтительные конформации называют северными (N) и южными (S) (смотри Рис. Различные конформации сахара ). В растворе между этими конформациями поддерживается динамическое равновесие. Быстрый переход от одной конформации к другой происходит с образованием промежуточной О4'-эндо-конформации. Разность энергий этих двух состояний невелика: по теоретическим оценкам она составляет 0.6 - 3.8 ккал/моль ( Levitt M. and Warshel A., 1978 , Olson W.K. and Sussman J.L., 1982 ), а экспериментально полученная величина равна 4.7 ккал/моль ( Furberg S., 1951 ). Положение равновесия между конформациями С2'-эндо и С3'-эндо определяется электроотрицательностью заместителей при атомах С2' и С3'. Конформация сахара в нуклеозидах зависит также от характера модификации основания ( Hruska F.E., 1973 ).

Для ДНК характерны две основные конформации сахарного кольца: С3'-эндо и С2'-эндо (или ее разновидность, С3'-экзо - конформация), переход между которыми определяется активностью молекул воды окружающей среды, а для РНК всегда наблюдается С3'-эндо-конформация.