4.3. Уровни структурной организации нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты имеют первичную, вторичную и третичную структуру.

Первичная структура нуклеиновых кислот

Первичной структурой нуклеиновых кислот называют порядок чередования нуклеотидов (нуклеозидионофосфатов) в полинуклеотидной цепи.

Мономеры в молекулах нуклеиновых кислот соединены сложноэфирной связью, образованной 5´- гидроксильной группой фосфатного остатка одного мононуклеотида и 3´ - гидроксильной группой пентозного остатка другого мононуклеотида (3', 5' - фосфодиэфирная связь). Ниже приведены фрагменты первичной структуры ДНК и РНК:

Линейные цепи ДНК и РНК, длина которых зависит от числа вхо­дящих в цепь нуклеотидов, имеют два конца: на одном имеется 5'- фос­фатная ОН- группа (5'-конец), на другом - свободная З'-ОН- группа (3'-конец).

Разные нуклеиновые кислоты отличаются друг от друга факти­чески чередованием азотистых оснований, так как пентозофосфатные части у всех мономеров одинаковы. Для краткого изображения первич­ной структуры нуклеиновых кислот пользуются однобуквенными симво­лами азотистых оснований. Первичная структура РНК может быть пред­ставлена такой записью:

(5´) А - У - А - А - Г - У - Ц - У-… (3-).

Запись структуры ДНК отличается приставкой «д» (дезокси) и вместо символа «У» встречается символ «Т» :

(5´) д (А - Т - А - Ц - Г - Т - А -...) (3').

Принимая средний молекулярный вес нуклеотидного остатка равным 330, легко подсчитать коэффициенты поликонденсации мономе­ров в молекулах нуклеиновых кислот. Учитывая, что молекулярная масса ДНК больше, чем РНК, для первых коэффициент поликонденсации всегда выше, чем для вторых.

Генетический «текст» ДНК составлен с помощью кодовых «слов» - триплетов нуклеотидов (кодогенов). Участки ДНК, содержащие инфор­мацию о первичной структуре всех типов РНК, называют структурными генами.

Порядок чередования нуклеотидов в РНК тот же, что и в копи­руемом участке ДНК, с той лишь разницей, что РНК состоит из рибонуклеотидов и вместо тимина в РНК - урацил.

Первичная структура мРНК (набор кодонов) скопирована с уча­стка ДНК, содержащего информацию о первичной структуре белковой молекулы (набор кодогенов). Первичная структура остальных типов РНК (тРНК, рРНК, редкие РНК) является окончательной копией генетической программы соответствующих структурных генов ДНК.

В клетках высших организмов имеется 3 вида рРНК, различаю­щихся по молекулярной массе (см.табл. 5), несколько десятков видов тРНК и огромное количество видов мРНК - не меньше, чем число разных белков в организме. Первичная структура нуклеиновых кислот определя­ет высшие уровни их организации - вторичную и третичную структуру.

Вторичная структура днк

Изучая состав ДНК, Чаргафф в 1949 г. установил важные законо­мерности, касающиеся отдельных оснований ДНК. Они помогли ра­скрыть вторичную структуру ДНК. Эти закономерности называют прави­лами Чаргаффа:

1) сумма пуриновых нуклеотидов равна сумме пиримидиновых нуклеотидов, т.е. А+ГУЦ+Т = 1;

2) содержание аденина равно содержанию тимина: А=Т;

3) содержание гуанина равно содержанию цитозина: Г=Ц;

4) количество аденина и цитозина равно количеству гуанина и тимина: А+Ц=Г+Т;

5) изменчивы только суммы А+Т и Г+Ц. Если А+Т>Г+Ц, то это AT - тип ДНК; если Г+Ц>А+Т, то это ГЦ-тип ДНК.

Эти правила говорят о том, что при построении ДНК должно со­блюдаться довольно строгое соответствие не пуриновых и пиримидино­вых оснований вообще, а конкретно тимина с аденином и цитозина с гуа­нином.

На основании правил Чаргаффа и рентгеноструктурных исследо­ваний Дж. Уотсон и Ф. Крик ( Великобритания ) предложили модель строения ДНК (1953), основные черты которой сформулированы ниже.

1. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, ори­ентированных антипараллельно и на всем протяжении связанных друг с другом водородными связями.

2. Водородные связи между цепями образуются за счет специ­фического комплементарного взаимодействия аденинового остатка одной цепи с тиминовым остатком другой цепи (пара А - Т) и гуанинового ос­татка одной цепи с цитозиновым остатком другой цепи (пара Г - Ц):

Основания А и Т, Ц и Г комплементарны друг другу в том смыс­ле, что между ними легче возникают водородные связи, чем при других сочетаниях (например, А и Г, Ц и А и т.д.).

Тимин

Аденин

Цитозин

Гуанин

3. Первичная структура одной цепи молекулы ДНК комплемен­тарна первичной структуре другой цепи. Это можно показать следующей схемой:

Таким образом, если известна первичная структура одной цепи, легко может быть написана, исходя из правил комплементарности, пер­вичная структура другой цепи.

4. Обе цепи закручены в спираль, имеющую общую ось; цепи могут быть разъединены только путем раскручивания. Пуриновые и пиримидиновые основания обращены внутрь спирали; их плоскости пер­пендикулярны оси спирали и параллельны друг другу, образуя таким образом стопку оснований. Между основаниями в этой стопке возникают гидрофобные взаимодействия, которые стабилизируют двойную спираль даже больше, чем водородные связи между цепями. Пентозофосфатные части располагаются по периферии, образуя ковалентный остов спирали. По Уотсону и Крику: расстояние между витками (шаг спирали) равно 3,4 нм. На этом участке укладывается 10 нуклеотидных остатков, размер одного нуклеотида 0,34 нм, диаметр биспиральной молекулы равен 1,8 нм.

Рис. Схематическое изображение двойной спирали ДНК:

а - по Уотсону и Крику; б - А-форма ДНК; в - В-форма ДНК (С - остаток дезоксирибозы; Р - остаток фосфорной кислоты)

В настоящее время методами рентгеноструктурного анализа установлено существование четырех форм ДНК: А, В, С, Т. Простейшие из них А и В. У формы А наблюдается смещение пар оснований от оси моле­кулы к периферии, поэтому уменьшается шаг спирали до 2,8 нм, и в од­ном витке 11 мононуклеотидов вместо 10. В-форма приближается к мо­дели Уотсона и Крика: шаг спирали 3,4 нм, диаметр биспирали - 1,7 нм . Между А- и В- формами ДНК осуществляются взаимоперехо­ды, которые могут быть вызваны растворителями или белками. В этих переходах, очевидно, заключен определенный биологический смысл. Предполагается, что в А-форме ДНК выполняет роль матрицы в процессе транскрипции (синтез РНК на матрице ДНК), а в В-форме - роль матрицы в процессе репликации (синтез ДНК на матрице родительской ДНК).

Установлено, что в клетках ряда бактерий и вирусов ДНК суще­ствует в виде одноцепочечной молекулы, вторичная структура которой представляет собой сочетание неспирализованных участков с участками спирали, образованной за счет взаимодействия комплементарных друг другу оснований.

Описанная структура ДНК позволяет объяснить молекулярный механизм функциональных биологических явлений, таких как самовос­произведение организмов, наследственность, изменчивость. Поэтому. 1953 г., когда Ф. Крик и Дж. Уотсон разработали модель строения ДНК, принято считать годом рождения молекулярной биологии.