2 курс / Лекция 09. Нуклеиновые кислоты. Структура ДНК и РНК

1

Лекция 9

СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Первичная структура нуклеиновых кислот

Образование полинуклеотидной цепи

Нуклеотиды соединяются через

остаток фосфорной кислоты

посредством 3`-5` фос-

фодиэфирных связей

Название концов даётся по

свободному концу рибозы

Представлена молекула РНК

Цепи читаются в направлении 5` → 3`

2

Нуклеиновые кислоты различаются:

по сахарам (рибоза содержится в РНК, дезоксирибоза – в ДНК).

по азотистым основаниям (урацил (У) в РНК – тимин (Т) в ДНК).

Отдельные нуклеотиды связываются в нуклеиновые кислоты посредством 3`- 5` фосфодиэфирных связей

3

Структура ДНК

Впервые была выделена Фридрихом Мишером в 1869 г. из ядер лейкоцитов. До середины 20-го века ее функции были неизвестны.

В 1950-х гг. стало ясно, что носителем генетической информации является ДНК. Внимание учёных было обращено к изучению белков и нуклеиновых кислот.

Суммарная длина ДНК 1 м 80 см. Она очень большая, с ней сложно работать.

Где содержится ДНК? У прокариотов – в цитоплазме, у эукариотов – в

ядре, хлоропластах, митохондриях.

Всё, что известно о ДНК, было открыто в последние 70 лет.

1.Первым структуру ДНК исследовал американский биохимик Эдвин

Чаргафф. Он установил, что в составе ДНК

А + Г = Т + Ц

Правило Чаргаффа: в составе ДНК всех живых организмов сумма пуриновых оснований равна сумме пиримидиновых оснований.

Отсюда следует, что

Г + Ц

= 1

А + Т

Это характеристика видовой специфичности. Для каждого организма она будет своя.

4

Если преобладают А / Т пары, ДНК будет АТ-типа.

Если преобладают Г и Ц пары, будет ГЦ-тип.

При проведении нуклеотидного анализа выяснили, что:

Упрокариот это соотношение колеблется 0,45 – 2,8 (т.е. в 6 раз, АТ-тип

иГЦ-тип).

Уэукариот: 0,54 – 0,94 (характерен только АТ-тип).

Эта работа была сделана в 50-х гг. и сыграла большую роль в открытии

структуры ДНК.

2.Вторым важным открытием было получение М. Уилкинсом и Р.

Фрэнклин рентгенограммы ДНК. Р. Фрэнклин положила на это всю жизнь, работала с радиоактивностью, умерла рано от рака. На рентгенограмме было видно, что в ДНК повторяются определенные структурные элементы, т.е. молекула – спираль. Они построили пространственную модель – двойную цепь, но снаружи

расположили азотистые основания.

В это время Л. Полинг также предложил свою модель спирали,

состоящую из трех цепей (основаниями наружу).

В марте 1953 г. Уотсоном и Криком была представлена модель

структуры ДНК, которая была названа «двойная спираль». В процессе работы они установили, что основания образуют комплементарные пары Знаменитыми стали слова Уотсона: «Модель была настолько изящной, что просто обязана была существовать в живой природе

Двойная спираль представляет собой две правозакрученные полинуклеотидные цепи, имеющие общую ось. Две полинуклеотидные цепи

антипараллельны. Шаг спирали 34 А.

5

Комплементарные пары оснований одинаковы по размеру

– пиримидиновые основания

- пуриновые основания

Обратить внимание на комплементарность и концы цепей ДНК

6

Пуриновые и пиримидиновые основания обращены внутрь спирали и

расположены «стопками», а плоскости оснований параллельны друг

другу и перпендикулярны оси спирали. Следовательно, «пи»-электронные облака будут перекрываться.

Ведущую роль в стабилизации двойной спирали играют стэккинг-

взаимодействия – это гидрофобные взаимодействия оснований и взаимодействия расположенных параллельно «пи»-электронных облаков оснований.

Наиболее сильные стэккинг-взаимодействия образуются на участках,

обогащенных ГЦ-парами (т.е. не из-за трёх водородных связей). Водородные

связи между комплементарными основаниями играют направляющую

роль.

7

Т.е. последовательность оснований одной цепи определяет

последовательность оснований второй цепи. Это позволяет ДНК при расхождении цепей достраивать к каждой точную копию (удваивать молекулу) и быть носителем генетической информации. Ни одна другая молекула таким свойством не обладает. Это матричный синтез, т.е. синтез,

при котором образуются точные копии. Встречается только в живой природе.

На поверхности спирали есть две борозды: малая и большая. Со стороны этих структур (в основном, большой борозды) регуляторные белки узнают азотистые основания нуклеотидов и связываются только с нужным участком ДНК.

ДНК может существовать в различных конформациях – полиморфных формах. При соблюдении общего плана строения они слегка различаются.

Участвуют в разных биологических процессах. В настоящее время уже известно шесть форм (от А до Е и Z-форма). Структурные формы ДНК, как установила Розалинда Франклин, зависят от насыщения водой молекулы нуклеиновой кислоты. Рассмотрим только две: А и В-формы. Остальные – прочитать по желанию.

В-форма.

Представлена Уотсоном и Криком

Основания перпендикулярны оси спирали.

Шаг спирали 34 А.

В В-форме ДНК участвует в репликации.

8

А-форма

Основания образуют с центральной осью спирали угол 70°.

Шаг спирали 28 А.

Основания не перекрывают центр спирали.

А-форма ДНК характерна для процессов транскрипции,

менее растянута.

9

ДНК почти вся состоит из повторов, до миллионов раз. Есть умеренно повторяющиеся последовательности. Это регуляторные зоны. Кодирующих участков мало.

В ДНК могут образовываться шпильки. Эти структуры играют регуляторную роль, они узнаются определёнными белками. Шпильки формируются там, где встречаются обратно бегущие последовательности (по аналогии в русском языке: Искать такси. Нажал кабан на баклажан. Умер и мир ему. А роза упала на лапу Азора).

Третичная структура ДНК

В ядрах эукариот молекула ДНК находятся в комплексе с белками – гистонами. Этот комплекс называется хроматином (у прокариот гистонов нет).

Гистоны делятся на 5 классов:

Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4.

Характерны для всех животных и растений. Структура очень консервативна. У коровы и гороха имеется 2 замены в гистонах.

Структура хроматина имеет вид нити с бусинами. Гистоны образуют так называемую тороидную структуру (овал, бусина с дыркой).

Каждая частица состоит из 8 молекул гистонов.

Гистоны – это простые белки основного характера с преобладанием лиз, арг

Намотанная на тороидную частицу ДНК называется нуклеосома. Это

140 п.н., или 500 А.

Длина перемычки 30 – 60 п.н., 100 – 200 А. Это линкерная ДНК. Связана с гистоном Н1.

10

Четвертичная структура ДНК

Соленоидная структура.

Потом образуются петли и т.д.

ДНК длиной 1 м 80 см упаковывается в ядро диаметром несколько микрон (сравнение: в камеру футбольного мяча упаковывается верёвка длиной 1 км. Но она должна быть ещё и доступной).

Структура РНК

Первичная структура РНК похожа на первичную структуру ДНК, но имеются следующие отличия: сахар – рибоза (а не дезоксирибоза), в составе азотистых оснований тимин заменён на урацил.

Вторичная структура РНК – это одна полинуклеотидная цепь.