ОСНОВЫ БИОХИМИИ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ - Н. Н. Скворцова - 2016

Часть I. Химические компоненты клетки

3. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

3.1. Химическое строение и функции азотистых оснований, нуклеозидов, нуклеотидов и нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты играют основную роль в передаче генетической информации и управлении процессами биосинтеза белка в организме.

Нуклеиновые кислоты - это высокомолекулярные соединения с молекулярной массой от 20 тысяч до миллиардов дальтон, полимерные цепи которых построены из мономерных звеньев - нуклеотидов. В состав нуклеотидов (рис. 30) входят: сахар (рибоза или дезоксирибоза), остаток фосфорной кислоты (фосфат) и азотсодержащие гетероциклические основания - пурины (гуанин и аденин) и пиримидины (цитозин, тимин, урацил):

Рис. 30. Составные части нуклеотидов

Сахара вместе с азотистым основанием образуют нуклеозиды, которые называются соответственно аденозин, гуанозин, тимидин, цитидин, уридин (рис. 31):

Рис. 31. Строение нуклеозидов

Если к нуклеозидам присоединены один, два или три фосфорных остатка, то вся эта структура называется соответственно нуклеозидмонофосфатом, -дифосфатом или -трифосфатом, или нуклеотидом (рис. 32):

Рис. 32. Строение нуклеотидов: аденозинмонофосфат, -дифосфат и -трифосфат

ДНК является полимером дезоксирибонуклеотидов, РНК - полимером рибонуклеотидов. Эти приставки указывают на структуру сахара, входящего в состав нуклеиновой кислоты (рис. 33):

Рис. 33. Нуклеотиды

Номенклатура нуклеозидов является основой для названия соответствующих нуклеотидов, в свою очередь нуклеозиды именуются по названиям входящих в их состав гетероциклических оснований. Буквенное обозначение нуклеотидов в полинуклеотидной цепи соответствуют обозначению входящего в его состав гетероциклического основания (табл. 9).

Таблица 9. Составные части ДНК и РНК

Отличия в первичной структуре ДНК и РНК рассмотрены выше. Каждая цепь нуклеиновой кислоты построена из звеньев четырех сортов нуклеотидов, причем последовательность звеньев в цепи может быть совершенно произвольной.

3.2. Комплементарность азотистых оснований

Азотистые основания нуклеотидов способны формировать парные комплексы гуанин - цитозин, аденин - тимин (в ДНК) или аденин - урацил (в РНК) при взаимодействии цепей нуклеиновых кислот (рис. 34):

Рис. 34. Комплементарность азотистых оснований

Принцип комплементарности - это строгое соответствие азотистых оснований в ДНК, в котором аденин соединяется с тимином двумя водородными связями (А = Т), а гуанин соединяется с цитозином тремя водородными связями (Г = Ц).

Такое взаимодействие играет ключевую роль в ряде фундаментальных процессов хранения и передачи генетической информации: репликации ДНК, обеспечивающей передачу генетической информации при делении клетки, транскрипции ДНК в РНК при биосинтезе белков, хранении генетической информации в двухцепочечной ДНК и процессах репарации ДНК при ее повреждении.

Нуклеотидный состав ДНК подчиняется правилам Э. Чар- гаффа:

1. Количество аденина (А) равно количеству тимина (Т), а количество гуанина (Г) - количеству цитозина (Ц):

А = Т, Г = Ц

2. Количество пуринов равно количеству пиримидинов:

А + Г = Т + Ц

Нуклеотидный состав РНК подобным правилам не подчиняется.

3.3. ДНК: особенности строения и структурной организации

Молекула ДНК состоит из двух полимерных цепей, образующих правовинтовую, регулярную (витки имеют практически одинаковые размеры) двойную спираль. Обратите внимание на направленность в молекулах нуклеиновых кислот: молекула имеет 5'- и 3-концы в соответствии с нумерацией атомов в молекуле рибозы (рис. 35).

Рис. 35. Схема строения одинарной цепи ДНК (стрелкой показано направление, в котором происходит биосинтез цепи ДНК)

Принципы построения молекулы ДНК:

1. Нерегулярность. Существует регулярный сахарофосфатный остов. К каждому остатку сахара присоединены азотистые основания. Их чередование нерегулярно.

2. Антипараллельность. ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, ориентированных антипараллельно: 3'-конец одной расположен напротив 5'-конца другой.

3. Комплементарность (дополнительность). Напротив, каждого азотистого основания одной цепи находится строго определенное азотистое основание другой цепи, причем одно из них пурин, другое - пиримидин.

4. Наличие регулярной вторичной структуры. Вторичная структура ДНК представляет собой двуспиральную молекулу, полинуклеотидные цепи которой антипараллельны и связаны между собой водородными связями между комплементарными основаниями. Один виток спирали равен 3,4 нм и содержит 10 пар нуклеотидов.

Две комплементарные антипараллельно расположенные полинуклеотидные цепи образуют правые спирали с общей осью (рис. 36).

Рис. 36. Схема вторичной структуры ДНК

Модель структуры ДНК, предложенная в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком, объяснила кодирование генетической информации, мутационную изменчивость и воспроизведение генов, которые представляют собой участки молекулы ДНК. Комплементарность цепей и последовательность нуклеотидов - химическая основа функций нуклеиновых кислот: хранение, воспроизведение, передача наследственной информации и биосинтеза белка.

В средней эукариотической клетке общая протяженность геномной ДНК составляет около 2 м, диаметр ее ядра всего ~10-20 мкм. Сегодня известно, что упаковка ДНК (рис. 37) в ядре эукариотической клетки осуществляется в несколько этапов. Сначала двойная спираль ДНК (а) укладывается в нуклеосомы (б), затем нуклеосомная нить складывается в так называемую фибриллу (в), соленоид или зигзагообразную нить (г), что обеспечивает дополнительную компактизацию. Последний фрагмент рисунка - хромосома (д):

Рис. 37. Пространственная упаковка ДНК: а - д (см. пояснения в тексте)

Далее фибрилла организуется в большие (50 и более тысяч пар нуклеотидов) петли, концы которых закрепляются на белковом скелете ядра. Таким образом, происходит упаковка ДНК одной хромосомы, однако геном эукариотической клетки разделен на несколько хромосом. Например, в клетках плодовой мушки дрозофилы имеются четыре пары хромосом, в клетках человека - 46. Индивидуальные хромосомы можно увидеть под микроскопом только во время митоза.

3.4. РНК: виды и особенности строения

РНК клетки различаются составом, функциями, размером и локализацией. Все клеточные организмы используют для синтеза белков рибонуклеиновые кислоты (РНК). Выделяют три вида РНК: матричную (информационную) РНК - мРНК (иРНК), транспортную РНК - тРНК, рибосомную РНК - рРНК. Все виды РНК представляют собой неразветвленные одноцепочечные полинуклеотиды, которые несут специфическую пространственную конформацию. Информация о строении всех видов РНК хранится в ДНК.

Наиболее хорошо изученными являются транспортные РНК (тРНК), которые содержат обычно от 76 до 85 нуклеотидов и имеют молекулярную массу от 25000 до 30000 D. На долю тРНК приходится около 10 % от общего содержания РНК в клетке. Отвечает тРНК за транспорт аминокислот к месту синтеза белка - к рибосомам. В клетке встречается около 30 различных тРНК. Каждая тРНК имеет характерную только для нее последовательность нуклеотидов, но все тРНК имеют общую вторичную и третичную пространственные структуры.

Рибосомная РНК (рРНК) содержит от 3000 до 5000 нуклеотидов. На долю рРНК приходится 80-85 % от общего содержания РНК в клетке. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы - органеллы, осуществляющие синтез белка.

Информационные (матричные) РНК разнообразны по содержанию нуклеотидов и молекулярной массе (до 30000 нуклеотидов). На их долю приходится до 5 % от общего содержания РНК в клетке. Функции мРНК заключаются в переносе генетической информации от ДНК, которая находится в ядре, к рибосомам, находящимся в цитоплазме. мРНК является матрицей для биосинтеза молекулы белка в клетке. Более подробное знакомство с особенностями строения и функцией нуклеиновых кислот предстоит далее в Части 3 «Основы молекулярной биологии».

Вопросы и задания для самопроверки

1. Напишите формулы пуриновых оснований, которые входят в состав нуклеиновых кислот.

2. Напишите формулы пиримидиновых оснований, которые входят в состав нуклеиновых кислот.

3. Напишите формулы углеводов, которые входят в состав нуклеиновых кислот.

4. Напишите формулу остова молекулы ДНК.

5. Напишите формулу остова молекулы РНК.

6. Составьте формулы нуклеозидов, входящих в состав ДНК.

7. Составьте формулы нуклеозидов, входящих в состав РНК.

8. Составьте формулы нуклеотидов, которые отличаются в ДНК и РНК.

9. Напишите формулы комплементарных оснований аденина и тимина и укажите положение водородных связей между ними.

10. Напишите формулы комплементарных оснований гуанина и цитозина и укажите положение водородных связей между ними.

11. Сформулируйте правила комплементарности Чаргаффа.

12. Напишите фрагмент молекулы ДНК, состоящий из четырех нуклеотидов.

13. Какими связями удерживаются полинуклеотидные цепи в двухспиральной молекуле ДНК?

14. Объясните направленность молекулы нуклеиновой кислоты. Ответ иллюстрируйте схемой.

15. Перечислите основные принципы построения молекулы ДНК.

16. Опишите модель структуры ДНК, предложенную в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком.

17. Перечислите уровни упаковки ДНК в ядре эукариотической клетки.

18. Какие белки участвуют в формировании третичной структуры молекулы ДНК?

19. Какие РНК функционируют в клетке? Укажите их размеры и функции.

20. Перечислите отличия в первичной, вторичной и третичной структурах молекул ДНК и РНК.

Задания для самостоятельной работы

1. Напишите нуклеотидную последовательность, комплементарную заданной:

2. К какому полинуклеотиду относится заданная последовательность - к ДНК или к РНК?

3. Сколько пиримидиновых и пуриновых оснований содержится в заданной и комплементарной последовательностях?

4. Составьте схему комплементарного взаимодействия между основаниями первого триплета заданной и комплементарной последовательностей.