3. Структура нуклеиновых кислот

Для понимания ряда особенностей структуры ДНК важное значение имели закономерности состава и количественного содержания азотистых оснований, установленные впервые Э. Чаргаффом. Оказалось, что азотистые основания ДНК обычно варьируют у разных видов организмов, однако почти не претерпевают изменений у одного и того же вида в процессе развития или в зависимости от изменений окружающей среды либо характера питания. Показано также, что ДНК, выделенная из разных тканей одного и того же вида, имеет одинаковый состав азотистых оснований. Полученные количественные соотношения были названы правилами Чаргаффа. При анализе состава очищенной ДНК, выделенной из разных источников, были сделаны следующие выводы:

1) молярная доля пуринов равна молярной доле пиримидинов:

;

2) количество аденина и цитозина равно количеству гуанина и тимина:

;

3) количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина равно количеству цитозина: А = Т и Г = Ц; соответственно

; ;

4) существенным для характеристики вида (таксономическое значение) оказался так называемый коэффициент специфичности, отражающий отношение

.

Это отношение часто выражают в молярных процентах (Г+ Ц), или процентах ГЦ-пар. Для животных и большинства растений этот коэффициент ниже 1 (от 0,54 до 0,94), у микроорганизмов он колеблется в значительных пределах (от 0,45 до 2,57).

Первичная структура нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты представляют собой полинуклеотид-монофосфаты. Полимерная цепь образуется за счет фосфодиэфирной связи между 3'-гидроксилом одного нуклеотида и 5'-гидроксилом другого. Таким образом, первичная структура нуклеиновых кислот представляет собой порядок чередования нуклеотидов в полинуклеотидной цепи. Один из концов этой цепи (изображаемый слева) имеет свободный гидроксил при 5'- атоме углерода, а другой (изображаемый справа) – свободный гидроксил при 3'- атоме углерода рибоз. Поскольку основой нуклеиновых кислот является САХАРОФОСФАТНЫЙ ОСТОВ, в сокращенных написаниях участков цепи используют лишь ОДНОБУКВЕННЫЕ СИМВОЛЫ соответствующего азотистого основания.

5'-НО-G-A-A-T-C-T-A-C-A-…3'

В образовании первичной структуры принимают участие гликозидная связь, соединяющая азотистые основания с пентозой, эфирная связь между рибозой или дезоксирибозой и фосфорной кислотой и фосфодиэфирная связь между нуклеотидами. Все эти связи ковалентные, достаточно прочно стабилизируют первичную структуру.

К настоящему времени удалось определить первичную структуру почти всех тРНК, ряда молекул 5S рРНК, 16S рРНК Е. соli, вирусных РНК, в состав которых входят сотни и тысячи нуклеотидных остатков.

В выяснении первичной структуры РНК решающую роль сыграли методы ступенчатого гидролиза, осуществленного в основном экзонуклеа-зами и заключающегося в последовательном отщеплении по одному мононуклеотиду с одного конца молекулы нуклеиновой кислоты.

Следует особо указать на две существенные особенности первичной структуры всех тРНК. Первая из них заключается в том, что 5'-концом всегда является гуаниловая (редко цитидиловая) кислота, несущая свободный остаток фосфата у С-5'. Вторая особенность – наличие на противоположном конце молекулы остатков трех мононуклеотидов с одинаковой последовательностью – ЦЦА, причем остаток адениловой кислоты содержит свободную З'-ОН группу.

Между этими структурами в строго определенной последовательности располагаются все остальные нуклеотидные остатки, среди которых на долю минорных нуклеотидов приходится до 10%. Полинуклеотидная цепь разных типов тРНК содержит около 75 нуклеотидов.

Матричные (информационные) РНК относятся к наиболее гетерогенному классу нуклеиновых кислот, отличающихся по массе, структуре, размерам, стабильности и функциям. Основной функцией мРНК является перенос информации от ДНК (точнее, от гена) на белоксинте-зирующую систему клетки. мРНК выполняет роль матрицы и, следовательно, определяет первичную структуру синтезируемого белка. мРНК наделены рядом особенностей первичной структуры; в частности, н 5'-конце все они содержат определенную последовательность рибонуклеотидов, получившую название «шапочки» (кэп). Первым нуклеотидом является 7-метилгуанозинтрифосфат, который присоединяется к 5'-гидроксилу соседнего мононуклеотида, представленного 2'-О-метилпуриновым нуклеотидом. На другом З'-конце большинства (но не всех) мРНК содержится полиадениловая последовательность (поли-А), насчитывающая от 150 до 200 нуклеотидов.

Роль «кэпирования» и «полиаденилирования» мРНК в белковом синтезе окончательно не выяснена. Предполагают, что кэп необходим для специфического узнавания в процессе трансляции, в то время как поли-А отводится роль фактора стабилизации всей молекулы мРНК.

В настоящее время проводятся исследования первичных структур различных молекул ДНК. Полностью расшифрована нуклеотидная последовательность митохондриальной ДНК человека (16569 пар нуклеотидов). Известны полные нуклеотидные последовательности ДНК различных вирусов, бактерий, дрожжей и плазмид. Исследователи активно работают над полной расшифровкой генома человека.

О первичной структуре ДНК (точнее, отдельных ее фрагментов) судят по ряду косвенных данных, например, по степени сблоченности нуклеотидных звеньев в молекуле ДНК (определение сводится в конечном счете к выяснению числа и структуры отдельных фракций нуклеотидов, так называемых изоплитов), также по кинетике реассоциации ДНК (метод позволяет выяснить наличие в молекуле повторяющихся последовательностей нуклеотидов). О первичной структуре ДНК судят, кроме того, по распределению минорных оснований (имеются данные о существовании подобной закономерности) и обнаружению в ДНК и определению последовательности палиндромов («обратно бегущие» последовательности, или перевертыши), которые обнаруживаются главным образом в местах рестрикции.

Таким образом, первичная структура молекулы ДНК представляет собой линейную цепь нуклеозидов, связанных молекулами фосфорной кислоты в положениях 3'- и 5'- остатков пентозы, т. е. представляет собой полинуклеотид, молекулярная масса которого колеблется от 200 000 до 20 000 000. На рис. 1 представлена повторяющаяся структурная единица молекулы ДНК, содержащая четыре нуклеотидных звена.

Рис. 1. Структурная единица молекулы ДНК