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 (НРО^2-₄), который часто называют неорганическим фосфатом и обозначают P_i. Гидролиз сопровождается уменьшением свободной энергии (гл. 7):

Рис. 17.2.

Таблица 17.1. Номенклатура оснований

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