6. Нуклеопротеины.

Нуклеопротеины выполняют функции, связанные с хранением и реализацией генетической информации.

Существует 2 типа нуклеопротеинов - дезоксирибонуклеопротеины (ДНП, содержат ДНК) и рибонуклеопротеины (РНП, содержат РНК). ДНП преимущественно находятся в ядре, а РНП - в цитоплазме.

В состав нуклеопротеинов входят гистоновые и негистоновые белки.

Представители нуклеопротеинов - рибосомы (комплексы рибосомных РНК с белками), ДНП-хроматин (комплекс ДНК с гистонами и негистоновыми белками).

Нуклеиновые кислоты – ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота) – полимеры нуклеотидов.

В состав нуклеиновых кислот входят азотистые основания (ДНК - аденин, гуанин, цитозин, тимин, РНК - аденин, гуанин, цитозин, урацил), углеводы (дезоксирибоза и рибоза соответственно), остатки фосфорной кислоты.

Нуклеотиды состоят из трех компонентов: пиримидинового или пуринового основания, пентозы (рибозы) и фосфорной кислоты. Нуклеотиды – нуклеозидфосфаты. Мононуклеотиды, присоединяя еще один остаток фосфата, превращаются в нуклеозиддифосфаты. Последние, присоединяя еще один остаток фосфата, образуют нуклеозидтрифосфаты.

Соединение азотистого основания и пентозы называют нуклеозидом. Связь N-гликозидная, образована первым атомом углерода пентозы с первым атомом азота в пиримидиновых нуклеозидах и девятым атомом азота – в пуриновых нуклеозидах.

ДНК, выделенная из разных тканей одного и того же вида, имеет одинаковый состав азотистых оснований. Закономерности состава и количественного содержания азотистых оснований установлены впервые Э. Чаргаффом и были названы правилами Чаргаффа:

1. Молярная доля пуриновых оснований равна молярной доле пиримидиновых оснований: А + Г = Ц + Т.

2. Количество аденина и цитозина равно количеству гуанина и тимина:

А + Ц = Г + Т.

3. Количество аденина равно количеству тимина, количество гуанина равно количеству цитозина: А = Т, Г = Ц.

4. Коэффициент специфичности равен (Г + Ц)/(А + Т) (у животных 0,54-0,94, у микроорганизмов 0,45-2,57).

Структура нуклеиновых кислот

Первичная структура - последовательность расположения мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК и РНК.

Мономеры в молекулах нуклеиновых кислот соединены сложноэфирной связью, образованной фосфатным остатком одного мононуклеотида и 3’-гидроксильной группой пентозного остатка другого мононуклеотида (3’,5’-фосфодиэфирная связь).

Вторичная структура. ДНК состоит из двух цепей, образующих правовращающую спираль, в которой обе полинуклеотидные цепи закручены вокруг одной и той же оси. Азотистые основания находятся внутри, а углеводные компоненты – снаружи.

В молекуле ДНК основания уложены парами: пуриновые из одной цепи и пиримидиновые из другой. Взаимодействие пар А-Т и Г-Ц называют комплементарностью, а соответствующие азотистые основания – комплементарными. Цепи ДНК комплементарны друг другу. Стабильность А-Т пар обеспечивается двумя водородными связями, а пар Г-Ц - тремя.

Между азотистыми основаниями, собранными в стопку вдоль молекулы ДНК, возникают силы гидрофобных взаимодействий (стэкинг-взаимодействия), которые вносят большой вклад в стабилизацию двойной спирали.

Обе цепи в молекуле ДНК имеют противоположную полярность: межнуклеотидная связь в одной цепи имеет направление 5’3’, в другой – 3’5’.

Конфигурация двойной спирали ДНК меняется от количественного содержания воды и ионной силы раствора. Существует более 10 форм ДНК, методами рентгеноструктурного анализа изучено 6 - А-, В-, С-, D-, Е- и Z-формы.

У А-формы пары комплементарных оснований смещены от оси молекулы к периферии, а в В-форме близки к оси спирали. Параллельно фосфодиэфирному остову в структуре А- и В-форм ДНК есть большая и малая бороздки – сайты, где присоединяются белки.

В А-форме ДНК выполняет роль матрицы при транскрипции (синтез РНК на молекуле ДНК), а в В-форме - роль матрицы в при репликации (синтез ДНК на молекуле ДНК).

Z-форма (зигзагообразная) имеет левозакрученную конфигурацию, в которой фосфатные группы располагаются зигзагообразно вдоль оси молекулы.

SBS-форма ДНК характеризуется отсутствием взаимозакручивания цепей в биспиральную молекулу, они располагаются бок о бок. Такая форма ДНК обеспечивает легкое распаривание и расхождение цепей ДНК, что очень важно при биосинтезе ДНК.

Молекулы РНК построены из одной полинуклеотидной цепи. В этой цепи есть комплементарные участки, которые образуют двойные спирали. При этом соединяются водородными связями пары А-У и Г-Ц. Спирализованные участки РНК (шпильки) содержат 20-30 нуклеотидных пар и чередуются с неспирализованными участками.

Для тРНК Р. Холли предложил модель клеверного листа. Особенность такой структуры – спирализация полинуклеотидной цепи самой на себя в строго фиксированных зонах. Особенности структуры тРНК имеют прямое отношение к процессу трансляции, поэтому более подробно они рассмотрены в разделе биосинтеза белка.

Менее охарактеризована вторичная структура матричных и рибосомных РНК. Вторичная структура рРНК и мРНК характеризуется спирализацией самой на себя.

Во вторичной структуре ДНК и РНК есть нуклеотидные последовательности, называемые палиндромами (перевернутые повторы). Эти повторы служат основой для образования структуры шпилек или для формирования на отдельных участках тройных спиралей.

Третичная структура нуклеиновых кислот. Двойная спираль ДНК на некоторых участках может подвергаться дальнейшей спирализации с образованием суперспирали или открытой кольцевой формы.

Нативные молекулы тРНК имеют третичную структуру, которая отличается от «листа клевера» компактностью за счет складывания различных частей молекулы.

Для многих белков хроматина характерны особенности структуры, обеспечивающие их связывание с ДНК.

1. Лейциновая «застежка-молния». На поверхности каждой из двух взаимодействующих полипептидных цепей или белков есть α-спиральный участок, содержащий остатки лейцина. Радикалы лейцина находятся на поверхности каждого второго витка. Лейциновые остатки α-спирали одного белка взаимодействуют с лейциновыми остатками другого белка с помощью гидрофобных взаимодействий, соединяя их вместе. Молекулы гистонов объединяются в комплексы, состоящие из 8 мономерных белков с помощью "лейциновых застёжек", несмотря на то, что все мономеры имеют сильный положительный заряд.

2. Мотив α-спираль – поворот – α-спираль. В него входят две α-спирали: одна более короткая, другая более длинная. Короткая α-спираль располагается поперёк бороздки молекулы ДНК, а длинная - в большой бороздке, образуя нековалентные связи радикалов аминокислот с нуклеотидами ДНК.

3. «Цинковый палец». Небольшой белковый мотив, стабилизированный ионом цинка, связанным координационными связями с 2 остатками гистидина и 2 – цистеина.

Природа негистоновых белков выяснена недостаточно.

Стабильность нуклеопротеинов обеспечивается электростатическими взаимодействиями между отрицательно заряженными остатками фосфорной кислоты нуклеиновых кислот и положительно заряженными группами белков, гидрофобными взаимодействиями, водородными связями.