Структура нуклеиновых кислот. Роль молекул ДНК и РНК в клетках

Лекция 1.

Структура нуклеиновых  кислот. Роль молекул ДНК и РНК  в клетках

 

Нуклеиновые кислоты – это линейные полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Полимеры – это макромолекулы, которые состоят из большого числа повторяющихся структурных единиц – мономеров. Мономерами ДНК являются дезоксирибонуклеотды, мономерами РНК – рибонуклеотиды.

Строение и номенклатура нуклеотдов. В состав нуклеотида входят три компонента: фосфат – сахар – основание.

углеводный компонент  нуклеотида представлен рибозой или 2’-дезоксирибозой, имеющих D-конфигурацию.

 

               D-рибоза                                     2’-дезокси- D-рибоза

В отличие от D-рибозы 2’-дезокси- D-рибоза не содержит атом кислорода при втором углеродном атоме. Атомы углерода в пентозе нумеруются со знаком  штрих (‘) – 1’, 2’, 3’, 4’, 5’.

Азотистые основания – это гетероциклические органические соединения, содержащие атомы азота. В составе ДНК встречаются 4 типа оснований - аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т), в состав РНК входят А, Г, Ц и У (урацил). Аденин и гуанин являются производными пурина, цитозин, тимин и урацил – это производные пиримидина.

Пиримидиновые основания

       

Аденин

Пуриновые основания

 

Номенклатура. Соединение, состоящее из основания и углевода, называется нуклеозидом. Азотистые основания соединяются с 1’ углеродным атомом пентозы β-гликозидной связью.

Аденозин, гуанозин, цитидин  и уридин являются нуклеозидами рибозы. Дезоксиаденозин, дезоксигуанозин, дезоксицитидин, дезокситимидин являются дезоксинуклеозидами аденина, гуанина, цитозина и тимина, соответственно.

В свободном состоянии  нуклеотиды находятся в виде 5’-трифосфатов: АТФ, ГТФ, ЦТФ и УТФ для рибозы и дАТФ, дГТФ, дЦТФ и ТТФ для  дезоксирибозы.

 

 

Рис.  Структура аденозинтрифосфата (АТФ).

 

В молекулах ДНК нуклеотиды присутствуют в виде 5’-монофосфатов: дАМФ, дГМФ, дЦМФ и ТМФ. Монофосфаты РНК обозначают: АМФ, ГМФ, УМФ, ЦМФ. В мононуклеотидах фосфатная группа соединяет простой эфирной связью с 5’-углеродным атомом пентозы.

Рис. Структура уридилового (U) и тимидилового (dT) нуклеотидов (кружками отмечены отличия в структуре тимина и урацила, рибозы и дезоксирибозы).

 

Первичная структура полимера определяется последовательностью мономеров в цепи. Нуклеотиды соединяются друг с другом 3’,5’-фосфодиэфирной связью, образуя полинуклеотидные цепи из сотен тысяч и миллионов нуклеотидов. Короткие цепочки из десяти – пятнадцати нуклеотидов называются олигонуклеотидами. Фосфат связывает 3’-ОН группу одного нуклеотида с 5’-OH группой другого нуклеотида.

Первичная структура ДНК (РНК) определяется последовательностью нуклеотидов в цепи. Эта структура стабилизируется (поддерживается) 3’,5’-фосфодиэфирными ковалентными связями.

 

5’- конец полинуклеотидной цепи

3’-конец полинуклеотидной цепи

 

Рис. Первичная структура нуклеиновых кислот. Фрагмент полинуклеотидной цепи из четырех нуклеотидов. R – Азотистое основание, X – (ОН -) или Н- группа для рибозы или дезоксирибозы, соответственно.

 

Вторичная структура  ДНК. Молекула ДНК в клетках прокариот и эукариот присутствует только в виде двойной спирали, т.е. состоит из двух полинуклеотидных цепей. Эти цепи комплементарны, антипараллельны и закручены в спираль вокруг общей оси. На один виток спирали приходится 10 пар оснований, диаметр спирали составляет 2 нм. Сахарофосфатный остов расположен снаружи (заряжен отрицательно), азотистые основания находятся внутри спирали и располагаются стопкой друг над другом. Эта модель строения ДНК была предложена Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 году. Основой для создания модели двойной спирали послужили результаты рентгеноструктурного и химического анализа молекул ДНК.

 

Правила Чаргаффа. В 1953 году с помощью кислотного гидролиза ДНК с последующей хроматографией и количественным анализом Эрвин Чаргафф установил следующие закономерности:

1. количество пуриновых оснований (A+Г) в молекуле ДНК всегда равно количеству пиримидиновых оснований (Т+Ц).
2. количество аденина равно количеству тимина [А=Т, А/Т= 1]; количество гуанина равно количеству цитозина [Г=Ц, Г/Ц=1];
3. соотношение количества гуанина и цитозина в ДНК к количеству аденина и тимина является постоянным для каждого вида живых организмов: [(Г+Ц)/(А+Т)=К, где К - коэффициент специфичности].

Правила Чаргаффа, как  правило, выполняются на двойной  спирали ДНК за счет комплементарности  аденина тимину, а гуанина - цитозину. В некоторых случаях содержание гуанина выше, чем цитозина, за счет метилирования некоторых цитозиновых остатков в ДНК. 

 

Принцип комплементарности. Азотистые основания в молекуле ДНК могут образовывать канонические пары: А – Т, Г – Ц. это значит, что водородные связи и молекуле ДНК образуются только между комплеменатрными основаниями: между аденином и тимином образуется две, между гуанином и цитозином – три водородные связи. Эти пары называют уотсон-криковскими парами по имени ученых, открывших модель структуры ДНК.

Цепи ДНК антипараллельны. Каждая цепь ДНК имеет два конца – 5’- конец и 3’- конец. На 5’- конце полинуклеотидной цепи 5-ОН группа дезоксирибозы не связана с другим нуклеотидом, на другом конце цепи 3-ОН группа тоже не связана с другим нуклеотидом. Правило антипараллельности означает, что две цепи в молекуле ДНК имеют противоположную направленность. За направление цепи по соглашению принято направление 5’ → 3’.

Правила написания  последовательности ДНК: в виде последовательности букв, обозначающих основания: 5’ – GATCCA - 3’, или в виде стрелок с противоположной ориентацией:

   5’                                             3’

5’

3’

Связи, стабилизирующие  вторичную структуру ДНК:

• Водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями
• Стэкинг-взаимодействиями, которые возникают между плоскими азотистыми основаниями, расположенными стопкой друг над другом в двойной спирали ДНК.

 

Физические  параметры ДНК. Типы двойных спиралей ДНК

 

В-форма ДНК – основной тип двойной спирали. В двойной спирали на один виток приходится 10 пар нуклеотидов (п.н.), длина витка – 3,4 нм. Расстояние между соседними нуклеотидами составляет 0,34 нм, диаметр спирали – 2,0 нм.

А-форма ДНК образуется при дегидратации. Характеризуется более широкой и короткой спиралью, основания имеют более сильный наклон к оси спирали (+19). На один виток спирали приходится 11 пар оснований. Расстояние между соседними нуклеотидами составляет 0,23 нм, длина витка – 2,5 нм, диаметр спирали – 2,3 нм. А-форму имеет спираль РНК-ДНК в комплексе матрица-затравка, а также спираль РНК-РНК и шпилечные структуры РНК (2’-гидроксильная группа рибозы не позволяет молекулам РНК образовывать В-форму). А-форма ДНК обнаружена в спорах. Установлено, что А-форма ДНК в 10 раз устойчивее к действию УФ-лучей, чем В-форма.

С-форма ДНК имеет  структуру, сходную с В-ДНК. Число пар оснований на виток составляет 9,33, длина витка спирали равна 3,1 нм.   Пары оснований наклонены на угол 8 градусов относительно перпендикулярного положения к оси. Желобки по размерам близки к желобкам В-ДНК. При этом главный желобок несколько мельче, а минорный желобок – глубже. В С-форму могут переходить природные и синтетические полинуклеотиды ДНК.

Z-форма ДНК – это двойная спираль, закрученная влево. На один виток этой формы приходится 12 пар оснований. Расстояние между соседними нуклеотидами составляет 0,38 нм, длина витка – 4,56 нм, диаметр Z-ДНК – 1,8 нм. Z- форма ДНК обнаружена в клетках прокариот и эукариот. Обычно Z-форма образуется в участках ДНК, где пурины чередуются с пиримидинами (например, 5’-ГЦГЦГЦ-3’), или в повторах 5’-ЦГЦГЦГ-3’, содержащих метилированный цитозин.

В клетках ДНК обычно существует в В-форме, которая является самой  стабильной, но отдельные участки ДНК могут находиться в А-форме, Z-форме или даже в другой форме. Некоторые участки молекулы ДНК со специфическими последовательностями образуют изгибы, что имеет важное значение для регуляции экспрессии генов.

Типы двойных спиралей ДНК.

Характеристика параметры спирали	Тип двойной спирали
	А	В	Z	C
Форма молекулы	широкая	Средняя ширина	Самая узкая
Расстояние между соседними  нуклеотидами	0,23нм	0,34нм	0,38нм	0,33нм
Диаметр спирали	25,5А	23,7А	18,4А
Число пар оснований  на виток спирали	11	10,4	12	9,33
Наклон оснований относительно оси спирали	19	1	9	8
Большая бороздка	Узкая и очень глубокая	Широкая и глубокая	плоская	Широкая и мелкая
Малая бороздка	Очень широкая и мелкая	Узкая и глубокая	Очень узкая и глубокая	Очень глубокая, узкая

 

 

Форма и размеры молекул ДНК. В клетках прокариот и эукариот молекула ДНК всегда состоит из двух цепей (дуплекс) и может иметь кольцевую или линейную форму. Геномы ДНК-содержащих вирусов могут быть представлены как одноцепочечной или двухцепочечной молекулой ДНК (кольцевой или линейной).

 Кольцевая суперспирализованная двухцепочечная молекула ДНК представляет хромосомы бактерий, плазмиды, геномы митохондрий, пластид и некоторых вирусов.

 Линейная двухцепочечная ДНК находится в хромосомах эукариот и некоторых вирусов.

 Размеры молекул ДНК. За единицу длины молекулы ДНК обычно принимают тысячу пар нуклеотидов (т.п.н.), длину небольших фрагментов ДНК (олигонуклеотидов) измеряют в парах нуклеотидов (п.н.). Например, геном кишечной палочки E.coli представлен кольцевой молекулой ДНК размером 4х10⁶  п.н., а ДНК вируса SV40 составляет всего 5243 п.н. Геном человека  составляет 3,8х10⁹ п.н.

Физические  свойства молекулы ДНК. При повышении температуры или добавлении щелочей происходит разрыв водородных связей между комплементарными основаниям. При этом происходит денатурация (плавление) и нативная двухцепочечная ДНК переходит в одноцепочечную форму. При охлаждении или понижении рН среды происходит ренатурация (отжиг), т.е. восстановление двойной спирали ДНК.

Температура плавления (Тпл.), при которой денатурирует 50% всей ДНК, зависит от содержания Г=Ц пар в молекуле ДНК. У млекопитающих, в том числе и у человека, Тпл. ДНК составляет 87⁰С. Способность ДНК денатурировать и восстанавливать двойную структуру используют для гибридизации при образовании дуплексов ДНК-РНК или ДНК-ДНК.

 

Структура и  функции РНК.

Содержание РНК в 5 – 10 раз превышает содержание ДНК  в клетках (кроме сперматозоидов).

Типы молекул РНК.

• Во всех клетках присутствуют тРНК, рРНК, мРНК
• Большинство клеток содержит большое количество малых цитоплазматических РНК (мцРНК)
• В клетках эукариот присутствуют малые ядерные РНК (мяРНК).

 

Основные функции  молекул РНК:

• Участие в реализации генетической информации.
• Принимают участие в выполнении специфических эндонуклеазных реакций, регулирующих этапы экспрессии генов.
• Генетический материал некоторых вирусов (ретровирусов и реовирусов)

 

Относительное содержание в клетках молекул РНК

Тип РНК	Количество видов молекул	% содержание массы  клеточных РНК
мРНК	<1000	5%
тРНК	100	15%
рРНК	3 - 4	80%
мяРНК		2%
мцРНК	неизвестно

 

Компоненты РНК, химические связи в молекуле.

Мономерами РНК являются рибонуклеотиды. В состав рибонуклеотида входит рибоза, гетероциклическое основание  и остаток фосфорной кислоты.

Обычно в состав РНК  входит 2 пурина (аденин и гуанин) и 2 пиримидина – цитозин, а вместо тимина в состав РНК входит урацил, у которого отсутствует 5-метильная группа.

Модифицированные  пурины и пиримидины в РНК содержат метил-, тиол-, водород и изопентил- заместители. 2’-O-метилнуклеотиды с модифицированными остатками рибозы,  а также наблюдается иной способ связывания урацила с рибозой (псевдоуридиловая кислота). Модифицированные пурины и пиримидины часто встречаются в тРНК и никогда не присутствуют в иРНК.

Как правило, модификация  оснований и рибозных остатков происходит после завершения синтеза РНК.