Пищевая Биохимия / Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

Глава 4. Нуклеиновые кислоты

В ферментативных реакциях в качестве коферментов могут участвовать нуклеотиды, в состав которых присоединен еще один или два остатка фосфата. Эти соединения называются нуклеозиддифосфаты (АДФ, ГДФ, УДФ, ЦДФ и ТДФ) или нуклеозидтрифосфаты (АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ и ТТФ).

OH OH

Аденозин- 5′-дифосфат (АДФ)

Реакции дезаминирования нуклеотидов катализируют различные дезаминазы. Так, например, АМФ-дезаминаза катализирует следующую реакцию:

АМФ + Н2О → ИМФ + NH3

Восстановление АМФ возможно в ходе реакций, использующих аспартат и катализируемых аденилсукцинатсинтетазой и аденилсукциназой (рис. 4.1). Аминирование инозин-5′-монофосфата (ИМФ) протекает через стадию образования аденилосукцината, промежуточного соединения аспартата и инозиновой кислотой. Образование аденилосукцината катализируется аденилосукцинатсинтетазой (1). Реакция протекает в присутствии ГТФ и ионов магния. Отщепление фумарата от аденилосукцината осуществляется при участии аденилосукциназы (2). В результате образу-

63

Азотистые основания поглощают свет ультрафиолетовой области спектра с длиной волн 200…300 нм и максимумом около 260 нм.

Нуклеиновые кислоты, полинуклеотиды — важнейшие биологически активные биополимеры, содержащиеся в каждой клетке всех организмов. ДНК локализуются преимущественно в ядрах и митохондриях клеток, а РНК находятся главным образом в цитоплазме.

Нуклеиновыми кислотами являются высокомолекулярные соединения с молекулярной массой 2,5 · 104…4 · 109, основным строительным элементом которых служат нуклеотиды. Цепи нуклеиновых кислот содержат от нескольких десятков до многих тысяч нуклеотидных остатков, расположенных линейно в определенной последовательности, уникальной для данной нуклеиновой кислоты. При этом как РНК, так и ДНК представлены огромным множеством соединений. Индивидуальная линейная последовательность нуклеотидов определяет первичную структуру нуклеиновой кислоты, которая образована за счет последовательного связы-

64

4.1. Дезоксирибонуклеиновые кислоты

вания нуклеотидов, соединенных между собой за счет фосфодиэфирных связей. В образовании межнуклеотидной связи участвуют гидроксильные группы в 3′- и 5′-положениях остатков углеводов.

NH2

N

N

O N N

NH2

O POCH2 O

Фрагмент структуры ДНК

Вторичная структура нуклеиновой кислоты возникает в результате сближения определенных пар азотистых оснований, а именно: три поперечные водородные связи формируются между гуанином и цитозином (Г≡Ц) и две — между аденином и тимином (А=Т) или (А=У) по принципу комплементарности, а также гидрофобных взаимодействий между ними.

4.1. ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

ДНК — это высокомолекулярное соединение, образованное за счет последовательного связывания нуклеотидов в полинуклеотидную цепь, в упорядоченном расположении которых заложена индивидуальная информация о живом организме, реализуемая через упорядоченный синтез белков и формирование специализированных органелл, входящих в состав клетки, которые определяют индивидуальные признаки организма.

65

4.1. Дезоксирибонуклеиновые кислоты

OH

OH

Фрагмент цепочки ДНК

ДНК является полинуклеотидом (биополимер). В растениях выявлено три вида ДНК: ядерная, митохондриальная и хлоропластная.

Устойчивость структуры ДНК приобретается путем комплементарного и антипараллельного связывания между собой двух полинуклеотидных цепей с помощью водородных связей, образуя правовинтовую спираль вокруг общей оси (рис. 4.2, а). ДНК может находиться в А-, В- и Z-фор- мах (рис. 4.2, б). Конфигурация двойной спирали ДНК меняется в зависимости от количества воды и ионной силы окружающей среды. У А-формы наблюдается некоторое смещение пар оснований от оси молекулы к периферии. А- и В-формы представляют собой правозакрученную двойную спираль, тогда как Z-форма ДНК имеет левозакрученную конфигурацию. Различия в структурах ДНК обусловливают индивидуальность функционирования полинуклеотида. Так, А-форма ДНК способна выполнять роль матрицы в процессе транскрипции, а В-форма — роль матрицы в процессе репликации.

Вструктуре ДНК записана информация о всех белках, синтезируемых

вклетке, а также индивидуальные (видовые) свойства, форма и поведение живого организма. Таким образом, ДНК представляет собой правильно ориентированную в пространстве спираль, образованную за счет комплементарного расположения двух полинуклеотидных цепей, закрученных друг относительно друга и вокруг общей оси. Диаметр спирали равен 1,8 нм,

67

Глава 4. Нуклеиновые кислоты

Рис. 4.2. Фрагменты вторичной структуры молекулы ДНК:

а — фрагмент двойной спирали ДНК, б — фрагменты правозакрученных В- и А-форм (1 и 2) и левозакрученной Z-формы (3)

адлина витка спирали составляет 3,4 нм. Один виток спирали представлен 10 нуклеотидными остатками. Спираль — правозакрученная, а по-

линуклеотидные цепи в ней антипараллельны. То есть в одной полинуклеотидной цепи фосфодиэфирные связи имеют направление 3′→5′,

ав другой противоположное — 5′→3′. При этом на каждом из концов молекулы ДНК будут располагаться 5′-конец одной и 3′-конец другой полинуклеотидной цепи. Углеводно-фосфатные последовательности обращены наружу, а азотистые основания вовнутрь структуры ДНК.

При этом определенное пространственное расположение двух полинуклеотидных цепей ДНК, комплементарно связанных между собой за счет водородных связей, приобретающих устойчивую структуру, стабилизированную нековалентными связями с белками (гистонами), формирует третичную структуру ДНК.

Неоднородность структуры ДНК определяется наличием в ее составе генов; каждый ген имеет два участка: регуляторный и структурный.

68

4.1. Дезоксирибонуклеиновые кислоты

В состав регуляторного участка входят ген-регулятор, ген-оператор, генпромотор (рис. 4.3). При этом ген-регулятор является участком в структуре ДНК, регулирующим активность структурных генов (экспрессию), содержащим и передающим информацию о белке-репрессоре, который выполняет посреднические функции в регулировании активности гена. Белок-репрессор имеет сродство к гену-оператору и обратимо связывается с ним в комплекс, образование которого блокирует процесс синтеза преРНК или ядерной РНК (яРНК). То есть функция белка-репрессора

Транскрипция

lac;оперон

мРНК

Трансляция

Рис. 4.3. Структура lac-оператора E. сoli (а) и механизмы регуляции его транскрипции: репрессии (б) и индукции (в) (Овчинников, 1987)

69

Глава 4. Нуклеиновые кислоты

заключается в том, что он регулирует активность структурных генов, ответственных за синтез преРНК. При этом на поверхности белковой глобулы белка-репрессора имеется участок, в котором специфически могут связываться низкомолекулярные регуляторные молекулы-индукторы.

Рядом с ген-оператором располагается ген-промотор, который служит местом связывания ДНК-зависимой РНК-полимеразы и участвует в регуляции синтеза преРНК. Ген неоднороден по своей структуре и в его составе выделяют оперон (транскриптон), который является элементарной единицей транскрипции, ограниченный промотором и терминатором

иучаствующий в процессе биосинтеза молекулы преРНК у прокариот

иэукариот. В структуре оперона различают два участка: информативный

инеинформативный.

Совокупность генов, входящих в состав ДНК, называется геномом, а суммарная генетическая информация, содержащаяся в хромосомах, которая получена организмом от предыдущих поколений, — генотипом. При этом в структуре ДНК имеется участок, отделяющий один ген от другого, который называется спейсер (от англ. spacer — промежуток). Спейсер не кодирует белки.

Участки клеточного генома, в которых закодированы обратные транскриптазы получили название ретротранспозоны, тогда как гены, представленные в ДНК в виде нескольких копий и перемещающиеся (мигрирующие элементы ДНК) из одной части генома в другие, называются мобильными диспергированными генами (МДГ), или транспозонами. Последовательности ДНК, усиливающие транскрипцию при взаимодействии со специфическими белками, называются энхансеры.

Сумма всех генов данного вида (заключенных в хромосомах), обеспечивающая возможность выживания вида в данных условиях обитания, проявляет специфичность генофонда растения. В случае повреждения структуры ДНК под воздействием различных физико-химических факторов может происходить восстановление поврежденных участков, и этот процесс называется репарация.

Информация об аминокислотных остатках, включенных в первичную структуру белка, закодирована в виде триплетов в первичной структуре ДНК. При этом триплет представлен тремя последовательно соединенными между собой нуклеотидами.

Современные аналитические методы позволяют найти в исследуемом биологическом материале небольшой участок генетической информации любого организма среди огромного количества других участков и многократно размножить его — метод ПЦР (полимеразной цепной реакции). Этот метод основан на принципе естественной репликации ДНК, включающем расплетение двойной спирали ДНК, расхождение нитей ДНК и комплиментарное дополнение обеих. Репликация ДНК может начаться

70

4.1. Дезоксирибонуклеиновые кислоты

не в любой точке, а только в определенных стартовых блоках — коротких двунитевых участках. Суть метода заключается в том, что маркировав такими блоками специфический только для данного вида (но не для других видов) участок ДНК, можно многократно воспроизвести (амплифицировать) именно этот участок.

Биологическая роль нуклеиновой кислоты заключается в хранении, реализации и передаче наследственной информации, «записанной» в молекулах нуклеиновой кислоты в виде последовательности нуклеотидов (генетический код). При этом ДНК является высокомолекулярным соединением живых организмов, выполняющим роль матрицы, хранящим информацию о всех белках, которые синтезируются в клетках (рис. 4.4). Кроме того, в ДНК содержится информация о структуре мембран клеток и ее органел-

Рис. 4.4. Схема метаболических процессов белков и нуклеиновых кислот в клетке

71

Глава 4. Нуклеиновые кислоты

лах, а также информация о поведении живых организмов в окружающей среде, реализуемая посредством действия регуляторной системы.

Удвоение ДНК и передача информации (транскрипция, процессинг, трансляция, фолдинг) осуществляются специализированными ферментативными системами (ДНК-полимеразы, ДНК-зависимая РНК-поли- мераза, нуклеазы и др.), основной целью которых является синтез функционально активного белка (см. рис. 4.4).

При делении клеток (митозе) происходит самовоспроизводство ДНК — процесс, который называется репликацией. При этом каждая дочерняя клетка получает равное количество ДНК, содержащей программу развития всех признаков соматической клетки. Реализация этой генетической информации в определенные признаки живого организма осуществляется путем биосинтеза молекул РНК на молекуле ДНК и последующего биосинтеза белков с ее участием.

4.2. РИБОНУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

В клетках эукариот функционируют несколько типов РНК: транспортная (тРНК), матричная (мРНК), рибосомальная (рРНК) и малые РНК. Молекулы РНК представлены преимущественно из одной полинуклеотидной цепи, которая может закручиваться, образуя небольшие участки, в которых азотистые основания формируют комплементарные пары.

Матричная РНК. мРНК представляет собой копию структурного участка ДНК, содержащего индивидуальные характеристики функционального белка. Элементарной составляющей первичной структуры мРНК служит кодон. мРНК инициирует процесс формирования и деятельность рибосомы из субчастиц, управляет процессом биосинтеза белка. При этом мРНК определяет качественно-количественный состав аминокислот

ипоследовательность их включения в полипептидную цепочку.

Вэукариотических клетках мРНК образуется из преРНК в результате процессинга. мРНК представляет собой полинуклеотидную цепь, в последовательности нуклеотидов которой закодирована информация о первичной структуре белка. При этом концы молекулы содержат нетранслируемые участки. Общая длина нетранслируемых областей может достигать или превышать длину транслируемых областей. Нетранслируе-

мые области находятся на обоих концах молекулы мРНК и соответственно называются 5′- и 3′-нетранслируемые области (5′- и 3′-НТО).

На 5′-конце мРНК располагается кэп (cap) участок, в головной части которого присутствует 7-метилгуанозин. Далее, за последовательностью из 3…15 нуклеотидов, располагается участок из нуклеотидов, ответственных за связывание мРНК с рибосомой. Этот участок комплементарен

72