Введение в молекулярную биологию: От клеток к атомам - Энтони Рис, Майкл Стернберг 2002

Нуклеиновые кислоты и гены
Первичная структура нуклеиновых кислот

Рис. 17.1

Нуклеиновые кислоты - дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) — это полимерные макромолекулы, участвующие в хранении и переносе генетической информации. Они построены из мономерных звеньев — нуклеотидов.

Нукуклеотид состоит из трех частей — азотистого основания, моносахарида (сахара) и одной или нескольких фосфатных групп. В составе ДНК и РНК к нуклеотидам присоединена одна фосфатная группа. Нуклеозид — это нуклеотид без фосфатной группы (групп). Таким образом, нуклеотиды являются фосфоэфирами нуклеозидов.

Сахар, входящий в состав нуклеотида - это пентоза, которая может присутствовать в одной из двух форм: ß-D-рибозы и ß-D-2-дезоксирибозы. Различие между ними состоит в том, что гидроксильная (—ОН) группа рибозы при 2'-углеродном атоме пентозы замещена в дезоксирибозе на атом водорода. Нуклеотиды, содержащие рибозу, называются рибонуклеотидаи иявляются мономерными звеньями РНК, а нуклеотиды, содержащие дезоксирибозу, являются дезоксирибонуклеотидами, и из них строится ДНК. Азотистые основания представляют собой производные одного из двух соединений - пурина или пиримидина. В нуклеиновых кислотах в основном присутствуют два пуриновых производных — аденин (обозначаемый А) и гуанин (G) и три пиримидиновых — цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U). В рибонуклеотидах используются основания A, G, С и U, а в дезоксирибонуклеотидах — A, G, С и Т. Основание присоединяется к сахару с помощью ß-N-гликозидной связи, соединяющей С1-атом пентозы с N1-атомом пиримидина или с N9-атомом пурина.

Одна, две или три фосфатные группы молут быть присоединены эфирной связью к 5'-углероду пентозы. Соответственно нуклеотиды называются нуклеозид-5'-моно-, нуклеозид-5'-ди- и нуклеозид-5'-трифосфатами и обозначаются сокращенно ХМР, XDP и ХТР, где X - то или иное азотистое основание. Для обозначения трех разных положений фосфата используют буквы а, ß и у. При физиологических значениях рН (близких к 7) основания не заряжены. Однако одна, две или три фосфатные группы в ХМР, XDP и ХТР являются кислыми и несут два, три или четыре отрицательных заряда соответственно.

Номенклатура оснований, их нуклеотидов (в форме 5'-монофосфатов) и нуклеозидов приведена в табл. 17.1. Приставка перед обозначением нуклеотда указывает на то, что пентозой является дезоксирибоза.

Аденозинтрифосфат (ATP) — это главный поставщик энергии во всех клетках. Каждая их трех фосфатных групп может быть отщеплена путем гидролиза в форме ортофосфата (НРО2-4), который часто называют неорганическим фосфатом и обозначают Pi. Гидролиз сопровождается уменьшением свободной энергии (гл. 7):

Рис. 17.2.

Таблица 17.1. Номенклатура оснований

Основание

Рибонуклеотид

Рибонуклеозид

Аденин (А)

Аденилат (AMP)

Аденозин

Цитозин (С)

Цитидилат (СМР)

Цитидин

Гуанин (G)

Гуанилит (GMP)

Гуанозин

Урацил (U)

Уридилат(иМР)

Уридин

Основание

Дезоксирибонуклеотид

Дезоксирибонуклеозид

Аденин (А)

Дезоксиаденилат (dAMP)

Дезоксиаденозин

Цитозин (С)

Дезоксицитидилат (dCMP)

Дезоксицитидин

Гуанин (G)

Дезоксигуанилат (dGMP)

Дезоксигуанозин

Тимин (Т)

Дезокситимидилат (dTMP)

Дезокситимидин

Обычно ATP, ADP и AMP в клетке находятся в комплексе с ионами магния или марганца (Mg2+ или Мn2+). РНК и ДНК построены соответственно из связанных коваленто рибонуклеотидных или дезоксирибонуклеотидных звеньев, образующих полинуклеотидные цепи. Звенья соединяются между собой с помощью фосфодиэфирных мостиков, связывающих 5'-гидроксильную группу одного нуклеотида и 3'-гидроксильную группу следующего. При этом образуется регулярная основная цепь фосфат—сахар—фосфат—сахар и т. д. Разные основания присоединены к сахарам аналогично тому, как присоединены боковые группы в белках. Порядок следования оснований вдоль цепи называется первичной структурой нуклеиновой кислоты (ср. с белками, гл. 6). Полинуклеотидная цепь обладает полярностью, и, согласно принятому соглашению, последовательность оснований читается в направлении от 5'- к 3'-углеродному атому пентозы. О первом и последнем нуклеотидах говорят, что они находятся на 5'- и 3'-концах цепи соответственно.

17.3.

Часто используют упрощенную форму записи химической структуры полинуклеотида. Можно указывать просто последовательность оснований, начиная с 5'-конца молекулы, например ACG; можно, кроме того, отметить с помощью буквы «р» положение фосфатных групп: pApCpG. Природу сахара указывают буквой г (рибоза) и d (дезоксирибоза): dAdCdG. Применяют и схематическую запись, в которой вертикальной чертой обозначают пентозу; к ней приписывают букву, отвечающую тому или иному основанию. Фосфатную группу, соединяющую сахара, изображают косой линией с буквой Р:

Рис. 17.4