Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Молекулярные основы и механизмы наследственности
Организация генетического аппарата клетки
Типы нуклеиновых кислот и их функции

Из двух типов нуклеиновых кислот — ДНК и РНК — дезоксирибо­нуклеиновая кислота выполняет роль вещества, в котором закодирована вся основная наследственная информация клетки, и которое способно к самовос­произведению, а рибонуклеиновые кислоты выполняют роль посредников между ДНК и белком. Такие функции нуклеиновых кислот тесно связаны с особенностями их индивидуальной структуры.

ДНК и РНК — это полимерные макромолекулы, мономерами которых служат нуклеотиды. Каждый нуклеотид сформирован из трех частей — моносахарида, остатка фосфорной кислоты и азотистого основания. Азоти­стое основание соединено с сахаром ß-N-гликозидной связью (рис. 1.1).

Сахар, входящий в состав нуклеотида (пентоза), может присутствовать в одной из двух форм: ß-D-рибозы и ß-D-2-дезоксирибозы. Различие между ними состоит в том, что гидроксил рибозы при 2'-углеродном атоме пентозы замещен в дезоксирибозе на атом водорода. Нуклеотиды, содержащие рибозу, называются рибонуклеотидами и являются мономерами РНК, а нуклеотиды, содержащие дезоксирибозу, носят название дезоксирибонуклеотиды и фор­мируют ДНК.

Азотистые основания являются производными одного из двух соедине­ний — пурина или пиримидина. В нуклеиновых кислотах преобладают два пуриновых основания — аденин (А) и гуанин (G) и три пиримидиновых — цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U). В рибонуклеотидах и соответственно в РНК присутствуют основания А, G, С, U, а в дезоксирибонуклеотидах и в ДНК — А, G, С, Т.

Рис. 1.1. Структура нуклеозида и нуклеотида: цифрами обозначено по­ложение атомов в остатке пентозы

Номенклатура нуклеозидов и нуклеотидов широко используется в биохи­мии и молекулярной биологии и представлена в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Номенклатура нуклеотидов и нуклеозидов

Длинные полинуклеотидные цепочки ДНК и РНК образуются при соеди­нении нуклеотидов между собой с помощью фосфодиэфирных мостиков. Ка­ждый фосфат соединяет гидроксил при 3'-углеродном атоме пентозы одного нуклеотида с ОН-группой при 5'-углеродном атоме пентозы соседнего нук­леотида (рис. 1.2).

При кислотном гидролизе нуклеиновых кислот образуются отдельные компоненты нуклеотидов, а при ферментативном гидролизе с помощью нуклеаз расщепляются определенные связи в составе фосфодиэфирного мостика и при этом обнажаются 3'- и 5'-концы молекулы (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Вторичная структура ДНК. Ферментативный гидролиз цепочки ДНК с обнажением 3'- и 5'- свободных концов молекулы

Это дает основание считать цепочку нуклеиновой кислоты полярной, и появ­ляется возможность определять направление чтения последовательности нук­леотидов в ней. Следует отметить, что большинство ферментов, участвующих в синтезе и гидролизе нуклеиновых кислот, работают в направлении от 5'- к 3'-концу (5' → 3') цепочки нуклеиновой кислоты. Согласно принятому согла­шению, последовательность нуклеотидов в цепочках нуклеиновых кислот тоже читается в направлении 5' → 3' (рис. 1.2).

Особенности строения ДНК. Согласно трехмерной модели, предложен­ной Уотсоном и Криком в 1953 г., молекула ДНК состоит из двух полинук­леотидных цепей, которые образуют правую спираль относительно одной и той же оси. Направление цепей в молекуле взаимно противоположное, она имеет почти постоянный диаметр и другие параметры, которые не зависят от нуклеотидного состава, в отличие от белков, у которых последовательность аминокислотных остатков определяет вторичную и третичную структуру мо­лекулы.

Сахарофосфатный остов располагается по периферии спирали, а азоти­стые основания находятся внутри, и их плоскости перпендикулярны оси спи­рали. Между основаниями, расположенными друг напротив друга в противо­положных цепях, формируются специфические водородные связи: аденин всегда связывается с тимином, а гуанин с цитозином. Причем в АТ-паре ос­нования соединены двумя водородными связями: одна из них образуется ме­жду амино- и кетогруппами, а другая — между двумя атомами азота пурина и пиримидина соответственно. В GС-паре имеется три водородные связи: две из них образуются между амино- и кето-группами соответствующих основа­ний, а третья — между атомом азота пиримидина и водородом (заместителем у атома азота) пурина.

Таким образом, более объемные пурины всегда спариваются с пиримидинами, имеющими меньшие размеры. Это приводит к тому, что расстояния между С1'-атомами дезоксирибозы в двух цепях оказываются одинаковыми для АТ- и GС-пар и равными 1,085 нм. Два указанных типа пар нуклеотидов, АТ и GС, называют комплементарными парами. Образование пар между двумя пуринами, двумя пиримидинами или некомплементарными основа­ниями (А+С или G+Т) стерически затруднено, поскольку при этом не могут образовываться подходящие водородные связи и, следовательно, нарушается геометрия спирали.

Геометрия двойной спирали такова, что соседние нуклеотиды в цепи на­ходятся друг от друга на расстоянии 0,34 нм. На один виток спирали прихо­дится 10 пар нуклеотидов, и шаг спирали равен 3,4 нм (10 х 0,34 нм). Диа­метр двойной спирали равен примерно 2,0 нм. В связи с тем, что сахарофос­фатный остов расположен дальше от оси спирали, чем азотистые основания, в двойной спирали имеются желобки — большой и малый (рис. 1.3).

Молекула ДНК способна принимать различные конформации. Обнаруже­ны А-, В- и Z-формы. В-ДНК — это обычная форма, в которой ДНК находит­ся в клетке, в ней плоскости колец оснований перпендикулярны оси двойной спирали. В А-форме ДНК плоскости пар оснований повернуты примерно на 20° от нормали к оси правой двойной спирали. Z-форма ДНК — это левая спираль с 12 парами нуклеотидов на виток. Биологические функции А- и Z- форм ДНК до конца не выяснены.

Рис. 1.3. Схематическое изображение В-формы двойной спирали ДНК. Видны большой и малый желобки. Указаны расстояние между ближай­шими парами оснований и шаг спирали [М. Сингер, П. Берг, 1998]

Стабильность двойной спирали обусловлена водородными связями между комплементарными нуклеотидами в антипараллельных цепях, стэкинг-взаимодействием (межплоскостные вандерваальсовы контакты между атома­ми и перекрывание π-орбиталей атомов контактирующих оснований), а также гидрофобными взаимодействиями. Последние выражаются в том, что непо­лярные азотистые основания обращены внутрь спирали и защищены от непо­средственного контакта с полярным растворителем, и наоборот, заряженные сахарафосфатные группы обращены наружу и контактируют с растворителем.

Поскольку две цепи ДНК связаны между собой только нековалентными связями, молекула ДНК легко распадается на отдельные цепочки при нагре­вании или в щелочных растворах (денатурация). Однако при медленном охлаждении (отжиг) цепи способны вновь ассоциировать, и между компле­ментарными основаниями восстанавливаются водородные связи (ренатурация). Эти свойства ДНК имеют большое значение для методологии генетиче­ской инженерии (глава 20).

Размер молекул ДНК выражают в числе пар нуклеотидов, при этом за единицу принимается тысяча пар нуклеотидов (т. п. н.) или 1 килобаза (кб). Молекулярная масса одной т. п. н. В-формы ДНК составляет ~ 6,6⋅10⁵ Да, а ее длина составляет 340 нм. Полный геном E.coli (~ 4⋅10⁶ п. н.) представлен одной кольцевой молекулой ДНК (нуклеоид) и имеет длину 1,4 мм.

Особенности строения и функции РНК. Молекулы РНК представляют собой полинуклеотиды, состоящие из одной цепи, включающей 70—10000 нуклеотидов (иногда и больше), представленные следующими типами: мРНК (матричная или информационная), тРНК (транспортная), рРНК (рибосомная) и только в клетках эукариот — гяРНК (гетерогенная ядерная), а также мяРНК (малые ядерные). Перечисленные виды РНК выполняют специфические функции, кроме того, в некоторых вирусных частицах РНК является носите­лем генетической информации.

Матричная РНК является транскриптом определенного фрагмента смы­словой цепи ДНК и синтезируется в ходе транскрипции. мРНК — это про­грамма (матрица), по которой строится полипептидная молекула. Каждые три последовательно расположенных нуклеотида в мРНК выполняют функцию кодона, определяя положение соответствующей аминокислоты в пептиде. Таким образом, мРНК служит посредником между ДНК и белком.

Транспортная РНК также участвует в процессе синтеза белка. Ее функция состоит в доставке аминокислот к месту синтеза и определении положения аминокислоты в пептиде. Для этого в составе тРНК имеется специфический триплет нуклеотидов, носящий название «антикодон», и вся молекула ха­рактеризуется уникальным строением. Структурное представление о молекуле тРНК носит название «клеверный лист» (рис. 1.4).

Молекула тРНК — короткая и состоит из 74—90 нуклеотидов. Как и лю­бая цепь нуклеиновой кислоты, она имеет 2 конца: фосфорилированный 5'-конец и 3'-конец, на котором всегда присутствуют 3 нуклеотида —ССА и концевая 3'ОН-группа. К 3'-концу тРНК прикрепляется аминокислота, и он называется акцепторным. В составе тРНК обнаружено не­сколько необычным образом модифицированных нуклеотидов, не встречаю­щихся в других нуклеиновых кислотах.

Рис. 1.4. Структура тРНК [Э. Рис, М. Стернберг, 1988]

Несмотря на то, что молекула тРНК одноцепочечная, в ней присутствуют отдельные дуплексные участки, формирующие т. н. стебли или ветви, где ме­жду асимметричными участками цепи образуются Уотсон—Криковские пары (рис. 1.4). Все известные тРНК формируют «клеверный лист» с четырьмя стеблями (акцепторным, D, антикодоновым и Т). Стебли имеют форму пра­вой двойной спирали, известной как А-форма ДНК. Петли тРНК представляют собой одноцепочечные участки. Некоторые тРНК имеют дополнительные петли и/или стебли (например, вариабельная петля дрожжевой фенилаланиновой тРНК).

Узнавание молекулой тРНК соответствующего сайта в мРНК осуществля­ется с помощью антикодона, расположенного в антикодоновой петле (рис. 1.4). При этом образуются водородные связи между основаниями кодо­на и антикодона, при условии, что формирующие их последовательности комплементарны, а полинуклеотидные цепи антипараллельны (рис. 1.5).

Молекулы разных тРНК отличаются друг от друга последовательностью нуклеотидов, однако их третичная структура очень сходна. Молекула имеет такой характер укладки, что напоминает по форме букву Г. Акцепторный и Т- стебли уложены в пространстве особым образом и образуют одну непрерыв­ную спираль — «перекладину» буквы Г; антикодоновый и D-стебли образуют «ножку». Правильная укладка молекул тРНК в пространстве имеет большое зна­чение для их функционирования.

В количественном отношении в клетке преобладает рибосомная РНК, од­нако ее разнообразие по сравнению с другими типами РНК — наименьшее: на долю рРНК приходится до 80 % массы клеточных РНК, и она представлена тремя—четырьмя видами. В то же время, масса почти 100 видов тРНК со­ставляет около 15 %, а доля нескольких тысяч различных мРНК — менее 5 % массы клеточной РНК.

В клетках E.coli обнаружено 3 типа рРНК: 5 S, 16 S и 23 S, а в эукариоти­ческих клетках функционируют 18 S-, 5,8 S-, 28 S- и 5 S-рРНК. Эти виды рРНК входят в состав рибосом и составляют примерно 65 % их массы. В со­ставе рибосом рРНК плотно упакованы, способны складываться с образова­нием стеблей со спаренными основаниями, подобными таковым в тРНК. Считается, что рРНК принимают участие в связывании рибосомы с тРНК. Показано, в частности, что 5 S-рРНК взаимодействует с Т-плечом тРНК.

Кроме перечисленных типов РНК, у эукариот в ядрах обнаружены гетеро­генные ядерные РНК и малые ядерные РНК. На долю гяРНК приходится ме­нее 2 % от общего количества клеточной РНК. Эти молекулы способны к бы­стрым превращениям — для большинства из них время полужизни не пре­вышает 10 мин. Одной из немногих выявленных функций гяРНК является ее роль в качестве предшественника мРНК. мяРНК ассоциированы с рядом белков и формируют так называемые малые ядерные рибонуклеопротеидные частицы (мяРНП), осуществляющие сплай­синг РНК (глава 3).

Рис. 1.5. Взаимодействие кодона мРНК с антикодоном тРНК. Точками обозначены водородные связи между комплементарными нуклеотидами