Структура молекулы днк
4.2.1. Первичная структура днк
Первичная структура молекулы ДНК включает нуклеотиды -А(аденин),Г(гуанин),Ц(цитозин),Т(тимин), а молекулы РНК те же нуклеотиды, кроме Т (тимина),вместо которого у РНК - У(урацил). Фосфатная группа при ph среды равной 7 полностью ионизирована, поэтому нуклеиновые кислоты существуют in vivo в виде полианионов (имеют множественный отрицательный заряд). Остатки пентоз также проявляют гидрофильные свойства. Азотистые основания почти не растворимы в воде, но некоторые атомы пуринового и пиримидиново- го цикла способны образовывать водородные связи. Пурины и пири- мидины поглощают ультрафиолетовое излучение с длиной волны около 260 нм. На этом свойстве основан метод определения концентрации нуклеотидов и нуклеиновых кислот.
Гидроксильная группа у 2'-углеродного атома рибозы делает молекулу РНК нестабильной, способной гидролизоваться в слабощелоч- ной среде при нормальной температуре.
Ферменты, способные гидролитически расщеплять 3'-5'-фосфоди- эфирную связь, называются нуклеазы и имеют свою специфичность: различают ДНК-азы и РНК-азы, а также нуклеазы способные гидро- лизовать и ДНК и РНК. Нуклеазы, отщепляющие только концевые нук- леотиды называются экзонуклеазы; гидролизующие внутренние связи - эндонуклеазы .
Таким образом, первичная структура нуклеиновых кислот - это порядок чередования нуклеотидов (дНМФ в ДНК и рНМФ в РНК) в полинуклеотидной цепи.
4.2.2. Вторичная структура днк
Особенность нуклеотидного состава ДНК заключается в том, что, как установил 1949-51гг. Э.Чаргафф, число адениловых оснований нуклео- тидов равно числу цитидиловых, а число гуаниловых - числу тимиди- ловых, таким образом, А=Т, Г=Ц, следовательно, А+Г=Т+Ц, то есть, число пуриновых оснований равно числу пиримидиновых (правило Чаргаффа). Такое соотношение не свойственно РНК. Исходя из правило Чаргаффа и рентгеноструктурных исследованиий, Дж.Уотсон и Ф.Крик в 1953 году предложили модель строения ДНК. В соответствии с этой моделью выделены основные черты строения молекулы ДНК:
1. Молекула ДНК построена из двух полинуклеотидных цепей, ориентированных антипараллельно, То есть, напротив 5'-конца одной цепи находится 3'-конец другой (рис.77).
Цепь I Цепь II
5′ А
∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ Т 3′
А
∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ Т
Г ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ Ц
Т ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ А
Ц ∙∙∙∙∙∙∙∙∙ Г Рис.77. Антипараллельность
3′ 5′ Цепей днк
2. Цепи соединены водородными связями, которые образуются за счет специфического взаимодействия аденилового остатка одной цепи с тиминовым остатком другой цепи (пара А….Т), и гуанилового остатка одной цепи с тиминовым остатком другой цепи (пара Г..Ц). Между А и Т образуются две водородные связи, а между Г и Ц – 3 связи. При таком сочетании каждая пара содержит по три кольца, поэтому размер этих пар оснований одинаков по всей длине молекулы (рис.78).
А Б
Рис.78. Пурин-пиримидиновые основания в ДНК (А – формулы, Б - модели)
Таким образом, последовательность нуклеотидов одной цепи опре- деляет последовательность нуклеотидов другой. Это явление Крик и Уотсон назвали комплементарностью (от лат.complementum-дополнение), следовательно, основания образуют связи комплиментарно друг другу; а соединение двух цепей полинуклеотида между собой подчиняется принципу комплиментарности (рис.79)
3. Первичная структура одной цепи молекулы ДНК комплиментарна другой цепи, следовательно, зная структуру одной цепи, можно написать структуру другой.
3'- дА-Т-Т-Ц-Т-Ц-Г-Т-Ц–Г-Т-5′
5'- дТ-А-А-Г-А-Г-Ц-А-Г-Ц-А-3′
Рис.79. Комплиментарность
цепей ДНК
4. Цепи полинуклеотидов молекулы ДНК полярны: 5'-конец находится свободно, то есть, в образовании межнуклеотидной связи не участвует 5'-положение концевого нуклеотида; соотвественно, на 3'-конце в образовании межнуклеотидной связи не участвует 3'-положение край- него нуклеотида и 3'-конец находится свободно.
5. Молекула ДНК имеет форму правозакрученной вокруг общей оси спирали; цепи могут быть разделены только путем раскручивания. Диаметр спирали равен 2нм. Длина шага 3,4нм. В каждом витке находит- ся 10 пар нуклеотидов. Фосфатные группировки расположены снаружи спирали, основания внутри с интервалами 0,34 нм под прямым углом к оси молекулы и параллельно друг другу, таким образом, что в сердцеви- не спирали образуется стопка оснований. Между основаниями в стопке возникают гидрофобные взаимодействия, что обеспечивает главный вклад в стабилизацию спирали (рис.80)
Молекула ДНК имеет три формы: А-, В-, и Z-формы (рис.81).
В-форма - типичная правозакрученная спираль Уотсона-Крика с перпендикулярно расположенными основаниями и диаметром 3,4 нм. ДНК в клетке находится в основном в В-форме, но отдельные её участки могут находится в А- или Z-форме.
При уменьшении степени влажности ДНК переходит в право- закрученную А-форму. Этот переход связан с изменением конформации в остатках дезоксирибозы, уменьшением расстояния между фосфатными группами сахарофосфатного остова. Расстояние между парами нуклео- тидов, равные 0,34 нм. в уотсон-криковской модели, уменьшается до 0.25 нм. Диаметр спирали увеличивается; изменяется ширина и глубина бороздок; основания располагаются под углом 20 градусов; на виток приходится 11 пар. Спираль расширяется, её диаметр равен 4 нм.
Рис.80. Пространственная структура молекулы ДНК
Z-форма - левозакрученная спираль с основаниями располо- женными под углом ~20º к оси спирали и 12 парами оснований в шаге. Линия, соединяющая фосфатные группы, через каждые две пары нуклео- тидов имеет излом и принимает зигзагообразный вид. Z-форма встре- чается на участках молекулы ДНК, обогащенными ГЦ парами и, по–видимому, играет роль в процессе рекомбинации и регуляции действия генов. Исходя из всего вышеизложенного следует, что вторичная струк- тура ДНК - это двойная спираль состоящая из 2 полинуклеотидных це- пей, по большей части правозакрученная, при определенных условиях переходящая в левозакрученную форму.