Нуклеиновые кислоты

Тема 1. Нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновые кислоты играют основную роль в хранении и реализации генетической информации. Различают два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), которые обеспечивают хранение генетической информации, и рибонуклеиновые кислоты (РНК), принимающие участие в ее реализации. Хромосома прокариотической клетки представляет собой одну длинную двуцепочечную молекулу ДНК, собранную в компактное образование — нуклеоид. Эукариотические клетки содержат большое число молекул ДНК, которые неравномерно распределены по нескольким хромосомам в виде комплексов с многочисленными белками. Вирусы также содержат в качестве генетического материала нуклеиновые кислоты: у одних это ДНК, у других РНК. В реализации генетической информации принимают участие различные виды РНК.

 

1. Структура и функции нуклеиновых  кислот

Нуклеиновые кислоты являются биологическими полимерами. Мономерными звеньями ДНК и РНК являюлся нуклеотиды — фосфорные эфиры нуклеозидов, которые, в свою очередь, построены из пентозы и гетероциклического основания. В РНК углеводный компонент — D-рибоза, в ДНК — D-2-дезоксирибоза. Связь между углеводным остатком и гетероциклическим основанием в нуклеотиде осуществляется с помощью N-гликозидной связи. В качестве гетероциклических оснований ДНК содержит два пурина: аденин (А) и гуанин (G) и два пиримидина: тимин (Т) и цитозин (С). В РНК вместо тимина содержится урацил (U).

Мономерные остатки в нуклеиновых кислотах связаны между собой фосфодиэфирными связями. Как в ДНК, так и в РНК, эта связь осуществляется только за счет 3'-ОН одного нуклеотидного остатка и 5'-ОН другого. Такую межнуклеотидную связь называют 3',5'-фосфодиэфирной. Цепи ДНК и РНК обладают определенной полярностью, или направлением, поскольку все межнуклеотидные фосфодиэфирные связи ориентированы вдоль цепи одинаково. Благодаря полярности каждая полинуклеотидная цепь имеет 5'-конец и 3'-конец (рис. 1). После окончания цикла синтеза ДНК некоторые пуриновые и пиримидиновые основания могут подвергаться химической модификации. Модификация пуринов и пиримидинов характерна и для РНК. В ней может наблюдаться иной способ связывания между урацилом и рибозой (так называемая псевдоуридиловая кислота). Модифицированные нуклеотиды достаточно часто встречаются в т-РНК.

 

Рисунок 1. Связь между нуклеотидами в полинуклеотидной цепи.

А – полидезоксирибонуклеотид; Б – полирибонуклеотид; 5/             3/ - это способы схематического изображения нуклеотидной последовательности (нуклеотидную последовательность принято изображать слева направо, от 5/ к 3/ - концу)

 

 

 

 

Макромолекулярная структура ДНК.  В 1953 г. Джеймс Дью́и Уотсон и Френсис Крик предложили модель структуры ДНК. При построении модели ученые основывались на четырех группах данных:

1. ДНК представляет собой полимер, состоящий из нуклеотидов, соединенных 3'-5'-фосфодиэфирными связями.
2. Состав нуклеотидов ДНК подчиняется правилам Чаргаффа: в любой ДНК содержание пуриновых нуклеотидов (A + G) всегда равно содержанию пиримидиновых нуклеотидов (Т + С); число остатков А всегда равно числу остатков Т, число остатков G — числу остатков С.
3. Рентгенограммы волокон ДНК, впервые полученные Морисом Уилкинсом и Розалиндой Франклин, указывают на то, что молекула обладает спиральной структурой и содержит более одной полинуклеотидной цепи.

4. Кислотно-щелочное  титрование ДНК показывает, что  ее структура стабилизируется водородными связями. Титрование и нагревание нативной ДНК вызывает заметные изменения ее физических свойств, в частности вязкости, переводя ее в «денатурированную» форму, причем ковалентные связи при этом не разрушаются.

На основании этих данных Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили трехмерную модель ДНК, которая объясняла результаты рентгеноструктурного анализа и характерную для ДНК парность оснований (рис. 2). Согласно их модели молекула ДНК представляет собой правильную правовинтовую спираль, образованную двумя полинуклеотидными цепями, закрученными друг относительно друга и вокруг общей оси. Две полинуклеотидные цепи, расположенные по периферии молекулы, имеют антипараллельную ориентацию (рис. 3). Это означает, что если двигаться вдоль оси спирали от одного ее конца к другому в одной цепи, фосфодиэфирные связи имеют направление 3'→ 5', а в другой — 5'→ 3', т.е. на каждом из концов линейной молекулы ДНК расположены 5'-конец одной цепи и 3'-конец другой цепи. Диаметр спирали постоянен вдоль всей ее длины и равен 2,0 нм.

Гидрофильные пентозофосфатные остовы цепей расположены на внешней стороне двойной спирали. Гидрофобные пуриновые и пиримидиновые основания обеих цепей уложены стопкой с интервалом 0,34 нм и направлены внутрь спирали; плоскости колец гетероциклических оснований перпендикулярны главной оси спирали. Длина витка спирали (полный оборот спирали), который соответствует ее периоду идентичности, составляет 3,40 нм. На один виток спирали приходится 10 нуклеотидных остатков в одной цепи.

Двойная спираль стабилизируется с помощью водородных связей между пуринами одной цепи ДНК и пиримидинами другой, а именно, между А и Т, G и С. Основания, образующие пары, в которых они сочетаются водородными связями, получили название комплементарных пар.

В АТ-паре основания соединены двумя водородными связями, в GC-пape имеются три водородные связи. В связи с этим последовательность оснований в одной цепи определяет их последовательность в другой.

Рисунок 2. В-форма двойной спирали ДНК: Р — фосфат: S – дезоксирибоза

 

Комплементарность последовательности оснований в двух полинуклеотидных цепях — ключевое свойство ДНК.

Позднее было установлено, что модель Дж. Уотсона и Ф. Крика описывает структуру одной из нескольких форм двойной спирали, названной В-формой. Это основная форма двуспиральной ДНК, в которой большая часть ее молекул существует в клетке.

 

 

Рисунок 3. Две антипараллельные цепи ДНК

Сахарофосфатныи остов расположен снаружи и заряжен отрицательно. Основания повернуты внутрь спирали и располагаются стопкой, друг над другом. Левая цепь сверху вниз имеет направление 5'→3', а правая — 3'→5'. Закручивание двух цепей в спираль не показано.

 

Специфическая макромолекулярная структура ДНК определяется двумя типами взаимодействий между гетероциклическими основаниями нуклеотидных остатков: взаимодействиями между основаниями в комплементарных парах и вертикальными межплоскостными взаимодействиями оснований, расположенными друг над другом (стэкинг-взаимодействиями, от англ. stacking — укладываться в стопку).

Комплементарные пары оснований (А-Т- и G-C-пар) близки по форме и имеют одинаковые размеры. Кроме уотсон-криковских пар (А-Т, G-C) гетероциклические основания способны образовывать множество связанных водородными связями пар другой структуры. Квантово-механические расчеты показывают, что уотсон-криковские пары (А-Т и G С, в случае РНК это A - U) энергетически наиболее выгодны. В этих парах центры с повышенной и пониженной электронной плотностью оснований расположены оптимально друг относительно друга. Такой вид комплементарности называют электронной, при этом G - С-пары существенно более стабильны, чем А-Т-пары. Образование пар между двумя пуринами, двумя пиримидинами или некомплементарными основаниями (А - С или G -T) стерически затруднено, что нарушает геометрию спирали.

Гетероциклические основания нуклеиновых кислот достаточно гидрофобны, в водном растворе им «выгоднее» расположиться друг над другом, уменьшая тем самым контакт с молекулами воды. «Вертикальные» взаимодействия (стэкинг-взаимодействия) обусловлены в основном ван-дер-ваальсовыми силами. Стэкинг-взаимодействия оснований в дуплексе (двойной спирали ДНК) зависят как от состава комплементарных пар, так и от их последовательности.

 

Структура и функции РНК.  Содержание РНК в любых клетках в 5-10 раз превышает содержание ДНК. Основная роль РНК состоит в трансляции генетической информации с образованием белков, а также в осуществлении некоторых специализированных эндонуклеазных функций, возможно регулирующих различные этапы экспрессии генов. Геномы некоторых вирусов (ретровирусов и множества вирусов животных, растений и насекомых) представлены одно- и двуцепочечной молекулой РНК.

Во всех клетках присутствуют следующие три вида РНК: рибосомная (р-РНК), транспортная (т-РНК) и информационная (и-РНК), или матричная (м-РНК), или РНК-посредник. Большинство клеток содержат много малых цитоплазмических РНК (мцРНК), а в клетках эукариот присутствуют малые ядерные РНК (мяРНК) (табл. 1).

 

Таблица 1. – Основные виды РНК

Виды РНК	Приблизительное число разных видов в клетках	Приблизительная длина (число нуклеотидов)	Распространенность
Транспортная	80-100	75-90	П, Э
Рибосомная 5 S	1-2	120	П, Э
Рибосомная 5,8 S	1	158	Э
Рибосомная 16 S	1	1600	П
Рибосомная 23 S	1	3200	П
Рибосомная 18 S	1	1900	Э
Рибосомная 28 S	1	5000	Э
Матричная	тысячи	варьирует	П, Э
Малая цитоплазматическая	десятки	90-330	П, Э
Малая ядерная	десятки	58-220	Э

П – прокариоты, Э- эукариоты

 

Около 80-85 % массы клеточных РНК составляют три (прокариоты) или четыре (эукариоты) вида р-РНК, около 10% — почти 100 видов т-РНК. На долю нескольких тысяч различных матричных РНК приходится менее 5% клеточной РНК, а на долю малых ядерной и цитоплазматической РНК, число видов которых пока неизвестно, — менее 2 % от общего количества РНК.

Макромолекулы большинства РНК построены из одной полирибонуклеотидной цепи. Основной элемент их вторичной структуры — сравнительно короткие двойные спирали, образованные комплементарными участками одной и той же цепи и перемежающиеся ее однотяжевыми сегментами. Полирибонукдеотидные цепи в таких двуспиральных структурах (спирализация сама на себя) антипараллельны, а сами двойные спирали не идеальны: в них имеются дефекты в виде неспаренных нуклеотидных остатков или не вписывающихся в двойную спираль однотяжевых петель. Наряду с классическими уотсон-криковскими парами (AU и GC) в двутяжевых участках РНК часто встречается пара GU. Таким образом, стабильность двутяжевых районов поддерживается комплементарными и межплоскостными взаимодействиями оснований. В однотяжевых участках наблюдаются сильные стэкинг-взаимодействия оснований, вследствие чего они стремятся принять конформацию однотяжевой спирали.

При исследованиях макромолекулярной организации однотяжевых РНК было установлено, что в физиологических условиях они характеризуются компактной и упорядоченной третичной структурой, которая возникает за счет взаимодействия элементов их вторичной структуры.

Двутяжевые РНК, построенные из двух комплементарных полинуклеотидных цепей, обнаруживаются только в составе некоторых вирусов. Кроме того, известны однотяжевые РНК (вироиды), состоящие, по сути дела, из двух комплементарных нуклеотидных последовательностей и поэтому существующие в виде двуспиральных молекул (см. тему «Структура генома вирусов»).

Транспортные РНК. Главной функцией транспортных РНК (т-РНК) является акцептирование аминокислот и перенос их в белоксинтезирующий аппарат клетки. Они выступают в роли затравки (праймера) в процессе обратной транскрипции. Последовательность т-РНК включает 70-90 нуклеотидов. Она образует вторичную структуру, известную под названием «клеверный лист» (рис. 4).

Эта структура состоит из 4 или 5 двуцепочечных спиральных стеблей и трех петель. Каждый стебель содержит 4-7 уотсон-криковских пар, образующих двойные спирали. Различают акцепторный, антикодоновый, дигидроуридиловый (D), псевдоуридиловый (ТψС) и добавочный стебли. Акцепторный стебель содержит 3'- и 5'-концы полинуклеотидной цепи, причем к концевой З'-гидроксильной группе (ССАЗ'ОН) присоединяется специфическая аминокислота, отвечающая последовательности антикодонового триплета в антикодоновой петле. Антикодон имеет жесткую архитектуру, которая позволяет ему быстро считывать матричную РНК.

В последовательности т-РНК имеются инвариантные основания, т.е. основания, присутствующие во всех т-РНК. Они участвуют, главным образом, в «третичных» взаимодействиях, которые возникают тогда, когда молекула т-РНК сворачивается в нативную Г-образную структуру (рис. 4-В). Г-форма состоит из двух почти перпендикулярных друг другу спиралей.

А

 

 

Рисунок 4. Структура т-РНК. А – вторичная структура (1 – актцепторный конец, 2 – псевдоуридиловая петля, 3 – вариабельная петля, 4 – антикодоновая петля, 5 – дигидроуридиловая петля); Б – третичная структура (схематическое изображение). Цифрами указаны номера нуклеотидных остатков; В – пространственная модель.

Рибосомные РНК. Высокомолекулярные рибосомные РНК (р-РНК) являются структурной основой для формирования рибонуклепротеинового тяжа, который, складываясь в пространстве, дает начало 30-40S-и 50-60S-cyбчастицам рибосомы; р-РНК взаимодействуют с м-РНК и аминоацил-т-РНК в процессе трансляции. Низкомолекулярная 5Sp-PHK в комплексе с рибосомными белками формирует комплекс, который называют третьей субчастицей рибосомы.

Матричные РНК. Матричной (м-РНК) считают РНК, которая в последовательности нуклеотидных остатков в молекуле несет информацию, обеспечивающую синтез специфического белка непосредственно на ней самой, а также информацию о времени, количестве, месте и условиях синтеза этого белка.