Структура нуклеиновых кислот

Доказательства генетической роли ДНК не отвечали, однако, на не менее важный вопрос: каким образом ДНК осуществляет две свои главные функции? Первая из них, аутокаталитическая, обуславливает способность ДНК к редупликации, или самоудвоению. Другая, гетерокаталитическая, определяет способность ДНК кодировать генетическую информацию, необходимую для того, чтобы образующееся потомство сохранило видовые признаки родителей. Прежде чем получить ответ на этот вопрос, рассмотрим, что было известно о структуре ДНК до 1953 г., когда Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили свою модель двойной спирали ДНК, положившую начало изучению основ генетики на молекулярном уровне.

Нуклеиновые кислоты представляют собой макромолекулы, образованные повторяющимися структурами- нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов: циклического азотсодержащего соединения, называемого основанием, сахара пентозы, включающего пять атомов углерода, и фосфорной кислоты. Известны пять главных азотистых оснований. Одно из них, урацил (2,6-оксипиримидин), обнаруживается только в РНК. Другое, тимин (2,6-окси-5-метилпиримидин), находится, как правило, только в ДНК. Остальные три основания: цитозин (6-амино-2-оксипиримидин), аденин (6-аминопурин) и гуанин (2-амино-6-оксипурин) - присутствуют как в ДНК, так и в РНК. Двуциклические основания - аденин и гуанин - относятся к пуринам, моноциклические основания - цитозин, тимин и урацил - к пиримидинам. Наряду с этими главными азотистыми основаниями в ДНК некоторых организмов обнаружены минорные редко встречающиеся основания: 5-метилцитозин, 5-оксиметилцитозин и др.

Сахар пентоза, входящий в состав РНК, является рибозой, а входящий в состав ДНК - 2-дезоксирибозой (отсюда и название этих кислот - рибонуклеиновая и дезоксирибонуклеиновая). Часть нуклеотида, состоящая из сахара с присоединенным к нему азотистым основанием, обозначают как нуклеозид. Поэтому нуклеотиды называются также нуклеозидмонофосфатами.

Молекула РНК состоит из одной цепи, в которой последовательно чередуются четыре возможных нуклеотида. Молекула ДНК имеет более сложную структурную организацию. Существенное значение для понимания строения ДНК имели установленные Э. Чаргаффом закономерности, в соответствии с которыми в любой молекуле ДНК: 1) сумма нуклеотидов, содержащих пуриновые азотистые основания, равна сумме пиримидиновых нуклеотидов, т.е. А+Г=Т+Ц; 2) содержание аденина (А) равно содержанию тимина (Т), а содержание гуанина (Г) - содержанию цитозина (Ц), т.е. отношение А к Г и Г к Ц равно 1; 3) количество оснований с кетогруппой в 6-м положении равно количеству оснований с аминогруппой в 6-м положении, т.е. Г+Т=А+Ц, или (Г+Т)/(А+Ц)=1.

Эти правила выявили устойчивую взаимосвязь содержания Т и А с одной стороны, и Ц и Г- с другой. Вместе с тем отношение (А+Т)/(Г+Ц), как показано в работах А.Н. Белозерского, А.С. Спирина и других исследователей, видоспецифично и может резко варьировать в ДНК организмов различных видов.

Большую роль в расшифровке строения ДНК сыграло рентгеноструктурное исследование, проведенное (1953) М. Уилкинсом и Р. Франклин. Оно показало, что ДНК - упорядоченная структура, состоящая из повторяющихся элементов, расположенных вдоль оси молекулы на расстоянии 0,34 нм друг от друга.

На основании химических данных Чаргаффа и дифракционной картины ДНК, полученной Уилкинсом и Франклин при ее облучении лучами Рентгена, Уотсон и Крик предложили, что ДНК представляет собой молекулу, содержащую две полинуклеотидные цепи. Эти цепи закручены вокруг общей оси в двойную спираль, витки которой, если смотреть вдоль оси спирали, идут по часовой стрелке. Такая конфигурация ДНК называется правозакрученной и обозначается как В-форма. В живой клетке большинство молекул В-ДНК претерпевает дополнительную спирализацию, облегчающую процессы ее репликации и рекомбинации. В результате сверхспирализации в участках В-ДНК, содержащих около 30 повторов ГЦ-пар, появляются районы левозакрученной, или Z-ДНК. Биологическое значение существования ДНК в Z-форме точно не установлено, однако показано, что Z-форма возникает в ходе кроссинговера между хромосомами в пахитене мейоза.

Цепи ДНК образованы последовательностью нуклеотидов, соединенных фосфодиэфирными связями, объединяющими между собой две 2-дезоксирибозы, к каждой из которых присоединено азотистое основание. Спиральная конфигурация молекулы ДНК поддерживается водородными связями между основаниями в противоположных цепях. В результате спаренные основания располагаются между двумя цепями перпендикулярно их оси. Вся эта структура напоминает винтовую лестницу, каркас которой образован сахарофосфатным остовом молекулы, а ступеньками служат спаренные основания.

Существенный элемент модели двойной спирали - принцип комплементарности, заключающийся в том, что спаривание оснований осуществляется строго специфично: аденин всегда связывается с тимином, а цитозин- с гуанином. Комплементарность приводит к тому, что каждая пара оснований содержит по одному пурину и пиримидину. Такая специфичность определяется структурной конфигурацией оснований и их способностью образовывать водородные связи. Движение атомов водорода определяет существование изомеров, или таутомерных форм оснований, способных переходить одна в другую. Специфичность спаривания аденина с тимином и гуанина с цитозином обусловлена тем, что эти основания наиболее часто находятся в ДНК в стабильных амино - и кетоформах, т.е. несут в 6-м положении амино (NH₂)- либо кето (СО) группу. Редкие нарушения этого характера спаривания, возникающие в случае перехода оснований в более редкие таутомерные формы - энольную (СОН) и имино (NH), могут привести к возникновению спонтанных мутаций. Комплементарность нуклеотидного состава противоположных цепей молекул ДНК обеспечивает ее способность хранить и передавать генетическую информацию, она же лежит в основе аутокаталитической функции ДНК, т.е. репликации.

Важная особенность структурной организации ДНК - антипараллельное расположение сахарофосфатного каркаса каждой из двух комплементарных цепей. Фосфодиэфирные связи в одной из цепей направлены от атома углерода в 5^-положении в дезоксирибозе одного нуклеотида к атому углерода в 3^-положении другого нуклеотида. В комплементарной цепи эти же связи направлены от 3^- к 5^-углероду. Такая противоположная направленность комплементарных цепей обеспечивает стабильность структуры ДНК. С развитием методов выделения ДНК из различных организмов и ее физико-химического анализа, предложенная Уотсоном и Криком модель была подтверждена экспериментально. Однако предстояло понять, как ДНК самокопируется и кодирует синтез белка.