Лекции / 8. ДНК Документ Microsoft Office Word

Поняття нуклеїнових кислот.

Їх основне призначення та біофізична функція

Нуклеїнові кислоти відкрив у 1869 р. Фрідеріх Мішер [7]. Понад 70 років інтерес до їх дослідження був незначний, і тільки після появи праць, у яких показано, що нуклеїнові кислоти відповідають за спадкову інформацію, і запропоновано механізм передавання спадкової інформа-ції (модель подвійної спіралі ДНК Уотсона та Кріка), почали інтенсивно досліджувати нуклеїнові кислоти. Дві основні функції нуклеїнових кис-лот: 1) зберігання та передавання спадкової інформації; 2) біосинтез білків.

Структура мономерних компонентів нуклеїнових кислот. Нук-леїнові кислоти – це полімери, мономерними одиницями яких є нуклео-тиди, які до того ж виконують інші функції в організмі (НАД, АДФ,

114

цАМФ, АТФ тощо). Нуклеотид складається з трьох різних за хімічною природою сполук: гетероциклічної основи, вуглеводу та фосфорної кис-лоти. Гетероциклічні основи через атом азоту за допомогою утворення гліководного зв’язку з’єднані з вуглеводом з утворенням нуклеозиду.

Таким чином, утворюється п’ять нуклеозидів: аденозин (А), гуано-зин (Г), цитимін (Ц), тимідин (Т) та уридин (У). Перші чотири входять до складу ДНК. У РНК замість тимідину міститься уридин. Крім зазна-чених нуклеозидів до складу РНК і ДНК входять у невеликій кількості інші похідні пурину та піримідину.

Невеликі розбіжності в хімічній будові нуклеотидів призводять до істотних змін в їхній біологічній активності, тобто незначно відрізняю-чись хімічно, ці сполуки в організмі виконують принципово різні біоло-гічні функції Наприклад, цАМФ регулює перебігання багатьох процесів,

• АТФ є універсальним джерелом енергії в організмі (біосинтез різних сполук, м’язове скорочення тощо).

Найважливішою особливістю просторової будови нуклеозидів і ну-клеотидів є взаємне розміщення залишків основ та вуглеводу, яке харак-теризується двома кутами.

Взаємне розміщення залишків основ та вуглеводів у нуклеотидах і нуклеозидах у розчині вивчається головним чином спектрополяримет-ричними методами та методом ядерного магнітного резонансу (ЯМР). У першому випадку вивчають ДОО чи КД розмірів нуклеозидів на ульт-рафіолетовій ділянці спектра, де в цих сполуках спостерігається харак-терний ефект Коттона.

Первинна структура нуклеїнових кислот. Послідовність нуклео-

тидів визначає первинну структуру нуклеїнових кислот (рис. 3.6, а). Отже, утворюються два класи нуклеїнових кислот: ДНК і РНК. Зде-більшого генетичну інформацію містить ДНК, а у деяких вірусах – РНК. Полімери ДНК і РНК є лінійними. Майже всі РНК, за винятком деяких РНК вірусів, одноланцюгові, тим часом як ДНК майже всі дволанцюго-ві, побудовані за принципом комолементарності.

115

а б

Рис. 3.6. Первинна (а) та вторинна (б) структури нуклеїнової кислоти

Довжина ланцюгів моно-нуклеїнових кислот не пере-вищує сотень мікрометрів. Найкоротші з транспортних

мононуклеїнових кислот (тРНК), ступінь полімеризації яких становить 80. Найдовші РНК – це так звані гетерогенні ядерні РНК (гяРНК), містять до 2^.10⁵ нуклеотидів. Довжина ДНК коливається в більш ши-роких межах – від часток мі-ліметра (декілька тисяч нук-леотидів) до сантиметрів (близько 10⁹ нуклеотидів).

Наприклад, молекули ДНК хромосоми людини містять 48…240 млн пар основ і мають довжину 1,6…8,2 см.

• нуклеїнових кислотах виявлено різноманітні типи структур [7]. Деякі з них тимчасові, тобто виникають унаслідок дії нуклеїнових кис-лот. Їх можна описати як одноланцюгові, дволанцюгові, дволанцюгові з одноланцюговими кінцями, розгалужені, циклічні одноланцюгові, цик-лічні дволанцюгові, структури типу катенанів.

Вторинна структура ДНК. Вторинну структуру ДНК запропону-вали Джеймс Уотсон, Френсіс Крік та Моріс Уілкінс (Нобелівська пре-мія, 1962 р.) на основі узагальнення результатів вивчення нуклеїнових кислот та побудували модель ДНК у вигляді подвійної спіралі (рис. 3.6, б), а також висунули ідею про специфічну взаємодію компле-ментарних пар А і Т та Г і Ц.

Положення дифракційних максимумів (рефлексів) на рентгенограмі

відповідає умові Вульфа–Бреггова: 2b^.sin  = n^., де b – стала кристаліч-ної ґратки (відстань між площинами);  – кут дифракції; n = 0, 1, 2, 3... –

116

порядок дифракції. На рентгенограмі ДНК виділяються дві сталі ґратки, які характеризують упорядковані структури, що розміщуються перпендику-лярно до осі ДНК. Головна позитивна характеристика такої моделі полягає в її здатності пояснити, яким чином передається спадкова інформація.

Відновлення зруйнованої вторинної структури ДНК називається ренатурацією. Критеріями повноти ренатурації є збіжність: оптичних властивостей, гідродинамічних характеристик, рентгенограм.

Оптичні характеристики та гіперхромний ефект ДНК. Спектри поглинання ультрафіолетового світла мономерних нуклеозидів та нук-леотидів у разі нейтральних рН зливаються в одну широку смугу з _mах = 260 нм. Під час денатурації оптична густина ДНК збільшується приблизно на 30 % .

Явище отримало назву гіперхромного ефекту. Зворотний перехід, тобто збільшення поглинання ДНК під час ренатурації, називається гі-похромним ефектом:

	f	g	
H 1				100,
	f
		m 

де f_g і f_m – сила осцилятора відповідно полімера та мономера, які безпо-середньо залежать від величини моменту електронного переходу і ви-значені експериментально з площі смуги поглинання, що відповідає електронному переходу в спектрі.

Важливою властивістю подвійних спіралей ДНК є також значне пи-томе згортання площини поляризованого світла, яке приблизно в шість разів більше порівняно з мономерними нуклеотидами такої ж концент-рації. Подвійна спіраль ДНК може бути зруйнована під дією різних фак-торів (зміна іонної сили, кислотності, температури). За деякими фізич-ними властивостями в цьому випадку спостерігається аналогія між спіраллю ДНК і кристалом: руйнування структур (плавлення) відбуває-ться кооперативно за певної температури, а зростання кристала, чи ре-натурація ДНК починається після утворення зародка.

117

Крім нуклеотидного складу, температура плавлення Т_п ДНК зале-жить ще від багатьох факторів, з яких найбільш істотні такі:

– іонна сила: температура плавлення подвійних спіралей полінукле-отидів підвищується зі збільшенням іонної сили розчину. Наявність та-ких катіонів, як Cu, Cd, Pb зменшує температуру плавлення ДНК, тим часом як інші (Mg, Ba, Co, Mn, Ni, Zn) підвищують температуру плав-лення ДНК;

– кислотність середовища: температура плавлення ДНК сильно за-лежить від кислотності. Якщо значення рН нижче ніж 7 і вище ніж 12, денатурація ДНК відбувається за кімнатної температури. В інтервалі рН від 5,5 до 8,5 температура плавлення ДНК мало залежить від рН середо-вища, вплив рН на температурну стабільність ДНК зумовлений іоніза-цією основ.

Біологічна функція нуклеїнових кислот:

– реплікація: кожна нитка подвійної спіралі ДНК є шаблоном для синтезу нових спіральних молекул ДНК, повністю тотожних вихідній молекулі;

– транскрипція: цей процес складається з декількох етапів. Перший етап – це реакція активування амінокислот та їх з’єднання з тРНК, дру-гий – перенесення амінокислоти на тРНК. Далі тРНК бере участь у син-тезі білка. Сполуку тРНК з амінокислотою цистеїном називають фер-

ментом;

– трансляція – найскладніший багатоступеневий процес синтезу поліпептидного ланцюга. Трансляцію умовно поділяють на три стадії: ініціацію, елонгацію і термінацію.

Ґрунтуючись на загальних фізико-хімічних уявленнях про властивості білків і нуклеїнових кислот [7], можна виокремити такі типи взаємодій:

1) електростатичні взаємодії залишків фосфорної кислоти та аміно-груп лізину і аргініну;

2) стекінг–взаємодії бокових груп ароматичних амінокислот та ос-

нов;

118

3. водневі зв’язки;

3. гідрофобні взаємодії неполярних амінокислот та основ.