Нуклеиновые кислоты

Строение м-РНК эукариот специфично: в их составе есть информативные, т.е. работающие как матрицы в процессе биосинтеза белка, зоны и неинформативные участки. Отмеченное своеобразие в строении м-РНК и расположение функциональных участков в ее молекуле представлены в виде обобщенной структуры (рис. 5). Неинформативные участки содержат кэп, 5'-нетранслируемую область (5'-НТО), З'-нетранслируемую область (З'-НТО), полиадениловый фрагмент.

Кэп (от англ. cap — кепка, шапка) — нуклеотидная последовательность, необходимая для защиты м-РНК от экзонуклеаз (ферментов, последовательно отщепляющих нуклеотиды от конца молекулы нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), а также для связывания белковых факторов при взаимодействии с р-РНК в рибосоме (играет сигнальную роль в присоединении м-РНК к рибосоме и участвует в трансляции).

Длина поли(А)-фрагментов у разных м-РНК колеблется от 50 до 400 н. п. Эти фрагменты отсутствуют в молекулах гистоновых м-РНК. Полагают, что полиадениловая часть молекулы м-РНК участвует в процессе созревания м-РНК, предопределяет время жизни м-РНК, способствует переносу м-РНК из ядра в цитоплазму и принимает участие в трансляции.

Время полужизни м-РНК в клетке, как и момент их деградации, запрограммированы специфическими последовательностями часто в 3'-НТО. Их называют элементами нестабильности м-РНК.

 

 

Рисунок 5. Обобщенная структура м-РНК эукариот

 

Гетерогенная ядерная РНК (гяРНК) — смесь транскриптов многих ядерных генов; локализована в ядре. Некоторые из них являются первичными транскриптами и имеют такую же длину, как и гены, с которых они скопированы, другие — частично процессированы и утратили ряд интронов.

Малые ядерные РНК (мяРНК) — короткие стабильные молекулы РНК, большинство которых в составе нуклеопротеидных частиц присутствуют в ядре. Они обнаружены в составе сплайсингосом млекопитающих. Эти РНК называют U-PHK из-за необычайно большого содержания урацнла и его модифицированных форм. Нуклеотидные последовательности всех U-PHK позвоночных совпадают на 95 %. У млекопитающих мяРНК участвуют в сплайсинге про-м-РНК, процессинге про-р-РНК в ядрышке, полиаденилировании про-м-РНК.

Функции малых цитоплазматических РНК (мцРНК), за исключением 7SL-PHK сигнал-раснознаюших частиц, не установлены. В переносе новосинтезированных секретируемых и связанных с мембранами полипептидов через липидный слой эндоплазматического ретикулума участвуют сигналраспознающие частицы, основным компонентом которых является 7SL-PHK.

 

2. Разнообразие  форм ДНК. Полиморфизм двойной  спирали.

 

Разнообразие форм ДНК. ДНК может находиться в линейной или кольцевой форме (рис. 6). Бактериальные плазмиды, хромосомы некоторых бактерий, большинство митохондриальных и хлоропластных ДНК, геномы вирусов млекопитающих представлены единственной ковалентно замкнутой кольцевой дуплексной молекулой ДНК.

Не все ДНК in vivo являются двуцепочечными. Геномы некоторых мелких вирусов бактерий, растений и животных представляют собой ковалентно замкнутые кольца, состоящие только из одной цепи. Все известные одноцепочечные кольцевые ДНК относительно малы: ДНК фагов фХ174 и М13 содержат 5300 и 6000 нуклеотидов и имеют длину 1,5-2 мкм. Однако для репликации любой из этих вирусных ДНК совершенно необходимо превращение одноцепочечного кольца в соответствующее двуцепочечное, из которого затем образуются одноцепочечные кольцевые ДНК вирусного потомства. Более того, экспрессия генетической информации в таких геномах всегда осуществляется в фазе двуцепочечной ДНК, поскольку именно она является субстратом для транскрипции последовательностей ДНК в РНК. Третичная структура и линейных и кольцевых форм ДНК характеризуется спирализацией и супер(сверх)спирализацией.

Полиморфизм двойной спирали. Правые спирали образуют два семейства: А-семейство (конформация сахара С3'-эндо-) и В-семейство (конформация сахара С2'-эндо-). Структуры в пределах каждого из семейств в зависимости от условий (концентрации соли, температуры) могут иметь разное число пар. приходящихся на виток спирали, разный наклон пар оснований к оси спирали и т.д.

 

 

А-семейство ДНК. Еще до открытия двойной спирали Р. Франклин получила экспериментальные свидетельства существования весьма упорядоченной структуры в ориентированных вытягиванием и подсушенных волокнах ДНК. Эта структура получила название А-форма ДНК. Этой форме долго не придавали особого значения, так как она возникала при малой влажности, т.е. не при физиологических условиях.

СЗ -эндоконформация сахара приводит к уменьшению расстояния между фосфатными группами и, следовательно, к уменьшению расстояния между нуклеотидными парами вдоль оси спирали. Это соответственно ведет к увеличению количества нуклеотидов па виток спирали (11 нуклеотидных остатков).

В неблагоприятных условиях некоторые бактерии превращаются в споры и находятся в таком неактивном состоянии сколь угодно долго, пока не появятся подходящие условия для размножения. Их ДНК окружена споровыми белками и находится в А-форме. Именно в этом состоянии ДНК примерно в 10 раз более устойчива к действию ультрафиолетового излучения, чем та же ДНК в В-форме в активно размножающихся бактериях. В случае со спорами бактерий споровые белки способствуют превращению ДНК бактерии из В-формы в А-форму, чтобы защитить ДНК в неблагоприятных условиях.

В-семейство ДНК.  Для ДНК В-семейства характерно структурное разнообразие. ДНК могут находиться в В-, С-. D- и других конформационных состояниях (рис. 7). На структуру ДНК влияют тип и концентрация катионов, а также температура. Характеристика отмеченных конформационных состояний представлена в таблице 2.

 

Таблица 2. – Характеристика некоторых

конформационных состояний ДНК

 

Показатель	А-форма	В-форма	С-форма	D-форма	Z-форма
Число пар нуклеотидных остатков на виток	11	10	9,3	8,0	12
Расстояние комплементарных пар от оси спирали, нм	0,425	0,063	0,213	0,143	-
Расстояние между нуклеотидными остатками по высоте спирали, нм	0,256	0,338	0,332	0,304	0,340
Угол поворота оснований вокруг оси спирали, град	32,7	36,0	38,6	45,0	-30

 

Между этими различными формами осуществляются взаимные переходы, что обуславливается степенью обводненности биомолекулы и различиями в ионной силе окружающей среды. Считают, что в биологическом плане А-форма ДНК участвует в транскрипции и передаче информации от ДНК к РНК (обратная транскрипция); В-форма ДНК — в репликативных процессах, в умножении количества информации. С-форма наиболее подходит для упаковки ДНК в составе надмолекулярных структур хроматина, т.е. в хранении информации.

Z-форма ДНК. При высокой концентрации содей (MgCK, NaCl) или добавлении спирта двойная правая спираль переходит в левую Z-форму. Стэкинг оснований обладает новыми, характерными лишь для этой спирали свойствами: он имеет место между остатками цитозина противоположных цепей, а остатки гуанина вообще не взаимодействуют друг с другом, контактируя с атомами соседних дезоксицитидинов. Соседние сахара «смотрят» в противоположные стороны, отчего линия, последовательно соединяющая атомы фосфора в цепи, приобретает зигзагообразный вид. Отсюда и название Z-ДНК (рис. 8). В-форма и Z-форма переходят друг в друга при изменении ионной силы раствора или концентрации катионов.

 

 

А   В   С   D

 

Рисунок 7. А-, В-, С- и D-формы ДНК (вид сбоку и сверху)

А- скелетная модель, Б – объемная модель

 

 

 

Рисунок 8. Z-форма ДНК

А – скелетная модель (вид сбоку и сверху); Б – объемная модель (вид сбоку и сверху); В – зигзагообразная линия, соединяющая фосфатные группы в Z-ДНК. Вертикальная прямая – ось спирали, горизонтальные отрезки – пары оснований и сахара. После остатков гуанина зигзагообразная линия идет вертикально, после остатков цитозина – горизонтально.

 

Z-ДНК с помощью антител к ней обнаружена в междисковых областях политенных хромосом. Нуклеосомные частицы образуются только В-формой ДНК. Переход в Z-форму разрушает структуру нуклеосомы, а значит, и структуру состоящего из нуклеосом хроматина. Возможно, Z-форма выполняет какую-то регуляторную роль, тем более что переход B→Z обратим. Каждая форма ДНК имеет малый и большой желобки определенного размера. У Z-ДНК есть только один малый желобок, через который проходит ось спирали.