Регулярность спирали требует,
чтобы против остатка пуринового
основания в одной цепи находился
остаток пиримидинового основания
в другой цепи. Как уже подчеркивалось,
это требование реализуется в
виде принципа образования комплементарных
пар оснований, т. е. остаткам
аденина и гуанина в одной
цепи соответствуют остатки тимина
и цитозина в другой цепи (и
наоборот).
Таким образом, последовательность
нуклеотидов в одной цепи молекулы
ДНК предопределяет нуклеотидную
последовательность другой цепи.
Этот принцип является главным
следствием модели Уотсона и
Крика, поскольку он в удивительно
простых химических терминах
объясняет основное функциональное
назначение ДНК — быть хранителем
генетической информации.
Заканчивая рассмотрение модели
Уотсона и Крика, остается добавить,
что соседние пары остатков
оснований в ДНК, находящейся
в В-форме, повернуты друг относительно
друга на 36° (угол между прямыми,
соединяющими атомы С1' в соседних
комплементарных парах).
2.1 Выделение дезоксирибонуклеиновых
кислот
Живые клетки, за исключением
сперматозоидов, в норме содержат
значительно больше рибонуклеиновой,
чем дезоксирибонуклеиновой кислоты.
На методы выделения дезоксирибонуклеиновых
кислот оказало большое влияние
то обстоятельство, что, тогда
как рибонуклеопротеиды и рибонуклеиновые
кислоты растворимы в разбавленном
(0,15 М) растворе хлористого натрия,
дезоксирибонуклеопротеидные комплексы
фактически в нем нерастворимы.
Поэтому гомогенизированный орган
или организм тщательно промывают
разбавленным солевым раствором,
из остатка с помощью крепкого
солевого раствора экстрагируют
дезоксирибонуклеиновую кислоту,
которую осаждают затем добавлением
этанола. С другой стороны,
элюирование того же остатка
водой дает- раствор, из которого
при добавлении соли выпадает
дезоксирибонуклеопротеид. Расщепление
нуклеопротеида, который в основном
представляет собой солеподобный
комплекс между полиосновными
и поликислотными электролитами,
легко достигается растворением
в крепком солевом растворе
или обработкой тиоцианатом калия.
Большую часть белка можно
удалить либо добавлением этанола,
либо эмульгированием с помощью
хлороформа и амилового или
октилового спирта (белок образует
с хлороформом гель). Широко применялась
также обработка детергентами. Позднее
дезоксирибонуклеиновые кислоты
выделяли с помощью экстракции
водными n-аминосалицилат — фенольными
растворами. При использовании этого
метода были получены препараты
дезоксирибонуклеиновой кислоты,
из которых одни содержали
остаточный белок, тогда как
другие были фактически свободны
от белка, что указывает на
то, что характер связи белок
— нуклеиновая кислота различен
в различных тканях. Удобная модификация
состоит в гомогенизировании
животной ткани в 0,15 М растворе
фенолфталеиндифосфата с последующим
добавлением фенола для осаждения
ДНК (свободной от РНК) с
хорошим выходом.
Дезоксирибонуклеиновые кислоты,
каким бы способом они не
выделялись, представляют собой
смеси полимеров различного молекулярного
веса, за исключением образцов, полученных
из некоторых видов бактериофагов.
2.1.1 Фракционирование
ДНК
Ранний метод разделения
заключался в фракционной диссоциации
гелей дезоксирибонуклеопротеида
(например, нуклеогистона) посредством
экстракции водными растворами
хлористого натрия увеличивающейся
молярности. Таким путем препараты
дезоксирибонуклеиновой кислоты
были разделены на ряд фракций,
характеризующихся различным отношением
содержания аденина с тимином
к сумме гуанина с цитозином,
причем более легко выделялись
фракции, обогащенные гуанином
и цитозином. Сходные результаты
были получены при хроматографическом
отделении дезоксирибонуклеиновой
кислоты от гистона, адсорбированного
на кизельгуре, с применением
градиентного элюирования растворами
хлористого натрия. В улучшенном
варианте этого метода очищенные
фракции гистона сочетались с
n-аминобензилцеллюлозой с образованием
диазомостиков от тирозиновых
и гистидиновых групп белка.
Описано также фракционирование
нуклеиновых кислот на метилированном
сывороточном альбумине (с кизельгуром
в качестве носителя). Скорость
элюирования с колонки солевыми
растворами увеличивающейся концентрации
зависит от молекулярного веса,
состава (нуклеиновые кислоты
с высоким содержанием гуанина
с цитозином элюируются легче)
и вторичной структуры (денатурированная
ДНК прочнее удерживается колонкой,
чем нативная). Таким способом
из ДНК морского краба Cancer borealis
выделен природный компонент
— полидезоксиадениловая-тимидиловая
кислота. Фракционирование дезоксирибонуклеиновых
кислот проводилось также посредством
градиентного элюирования с колонки,
наполненной фосфатом кальция.
3
Макромолекулярная структура РНК
Первые сведения о нуклеотидном
составе РНК относились к препаратам,
представляющим собой смеси клеточных
РНК (рибосомных, информационных
и транспортных) и называемым
обычно суммарной фракцией РНК.
Правила Чаргаффа в этом случае
не соблюдаются, хотя определенное
соответствие между содержанием
гуанина и цитозина, а также
аденина и урацила все же
имеет, место.
Данные, полученные в последние
годы при анализе индивидуальных
РНК, показывают, что и на них
правила Чаргаффа не распространяются.
Однако различия в содержании
аденина и урацила, а также
гуанина и цитозина для большинства
РНК невелики и что, следовательно,
тенденция к выполнению указанных
правил все же наблюдается.
Этот факт объясняется особенностями
макроструктуры РНК.
Характерными структурными
элементами некоторых РНК являются
минорные основания. Соответствующие
им нуклеотидные остатки обычно
входят в состав транспортных
и некоторых других РНК в
очень небольших количествах,
поэтому определение полного
нуклеотидного состава таких
РНК представляет собой иногда
весьма сложную задачу.
3.1 Выделение рибонуклеиновых
кислот
Методы, используемые для экстракции
рибонуклеиновых кислот, частично
зависят от природы органа
или организма. В одном из
ранних методов, использованном
Левиным, к густому тесту из
дрожжей добавляли щелочь, смесь
перемешивали с пикриновой кислотой,
фильтровали и нуклеиновую кислоту
осаждали из фильтрата добавлением
соляной кислоты. Такая довольно
жесткая обработка приводила
к тому, что полученная нуклеиновая
кислота значительно отличалась
от “нативной” рибонуклеиновой
кислоты. Для выделения рибонуклеиновых
кислот, приближающихся по структуре
к нуклеиновым кислотам живой
клетки, необходимо избегать применения
жестких условий (рН, температура)
в то же время необходимо, насколько
возможно, затормозить ферментативный
распад. Широко применялась экстракция
рибонуклеопротеидов изотоническим
раствором хлористого натрия. Белки
от нуклеиновых кислот могут
быть отщеплены различными методами,
такими, как обработка смесями
хлороформа с октиловым спиртом,
додецилсульфатом натрия, нитратом
стронция или спиртом, а также
расщепление белковой фракции
трипсином. И снова эффективность
каждого метода определяется
природой рибонуклеопротеида. Для
инактивации ферментов в процессе
экстракции полезно применение
хлоргидрата гуанидина (денатурирующего
агента); для выделения рибонуклеиновых
кислот и нативных рибонуклеопротеидов
из дрожжей был применен метод,
использующий адсорбцию рибонуклеаз
на бентоните после предварительной
обработки ионами цинка.
Особые преимущества имеет
выделение рибонуклеиновых кислот
из гомогенатов тканей млекопитающих,
микроорганизмов и вирусов экстракцией
фенолом и водой при комнатной
температуре, так как при этом
белки и дезоксирибонуклеиновые
кислоты выпадают в осадок, активность
рибонуклеазы подавляется и высокополимерные
продукты могут быть получены
с хорошими выходами. Прямая экстракция
дрожжей водным раствором фенола
была применена для препаративного
получения транспортных РНК.
3.1.1 Фракционирование
РНК
Помимо ряда вирусных нуклеиновых
кислот, большинство выделенных полирибонуклеотидов,
бесспорно, представляют собой сложные
смеси, содержащие полимеры с различной
длиной цепи, нуклеотидной последовательностью
и составом оснований (присутствие
или отсутствие “минорных” оснований).
Существует ряд приемов для частичного
фракционирования, однако, пока не разработаны
удовлетворительные методы характеристики,
трудно определить степень чистоты
или гомогенности рибонуклеиновых
кислот. В основу оценки чистоты
транспортных РНК, этих сравнительно низкомолекулярных
полирибонуклеотидов, может быть положена
их ферментативная реакция с аминокислотами
(через аминоациладенилаты), что, конечно,
позволяет оценить и их биохимическую
однородность.
Методы фракционирования включают
осаждение нейтральными солями,
электрофорез, хроматографию на
фосфате кальция и осаждение
днгидрострептомицином. Недавно
для фракционирования рибонуклеиновых
кислот была использована фракционная
диссоциация комплексов нуклеиновая
кислота — гистон, примененная
ранее к дезоксинуклеиновым кислотам.
Во всех фракциях отношение
6-амино- к 6-кетонуклеозидам было
близко к единице. В некоторой
степени фракционирование происходит
при экстракции фенолом, возможно
как результат дифференциального
связывания нуклеиновых кислот
с белками. Анионообменные целлюлозы,
такие как ЭКТЕОЛА и ДЭАЭ, широко
применяются в настоящее время
для фракционирования не только
рибонуклеиновых кислот, включая
специфичные для аминокислот
транспортные РНК, но и рибонуклеопротеидов
и даже вирусных препаратов. Для элюирования
обычно используют растворы нейтральных
или близких к нейтральным солеи. Поразительной
особенностью метода является способность
этих ионообменников к разделению очень
широкого спектра веществ, начиная от
изомеров мононуклеотидов и олигонуклеотидов
с различной длиной цепи или различного
состава и кончая полинуклеотидами чрезвычайно
высокого молекулярного веса. Опубликовано
сообщение о разделении на колонках из
ДЭАЭ-декстрана РНК, меченной валином,
от немеченой акцепторной РНК. Для фракционирования
рибонуклеиновых кислот были также применены
модифицированные ионообменные целлюлозы,
в которых к целлюлозе с помощью эпихлоргидрина
присоединены нуклеозиды (вместо триэтаноламина),
особенно аденозин и гуанозин [44]. Подобное
использование ЭКТЕОЛА-целлюлозы для
фракционирования или выделения информационной
РНК, связанной в данный момент с ДНК, основано
на способности к специфическому образованию
водородных связей: ЭКТЕОЛА связывает
денатурированную ДНК данного организма
(для элюирования ДНК необходим растворитель
чрезвычайно высокой ионной силы), а информационная
РНК элюируется растворами понижающейся
ионной силы. Посредством хроматографии
на трет-аминоалкилированном крахмале
транспортная рибонуклеиновая кислота
была разделена на фракции на основании
повышенного сродства к тирозину и лейцину.
Хроматография на оксиапатите дает хорошее
разделение рибонуклеиновых кислот, специфичных
для валина и фенилаланина.
В другом методе, имеющем значительную
потенциальную ценность, используется
поперечно сшитый полидиазостирол,
полученный в результате реакции
полиаминостирола с азотистой
кислотой; метод основан на наблюдениях,
что соединения дназония легко
реагируют с некоторыми аминокислотами
с образованием ковалентно связанных
производных. В пределах рН
от 7 до 8,5 быстро реагируют только
тирозин и гистидин. Препараты
транспортных РНК, полностью этерифицированные
аминокислотами, встряхивали с нерастворимым
полидиазостиролом, который реагировал
только с нуклеиновыми кислотами,
меченными тирозином и гистидином.
Дальнейшая очистка достигалась
повторной этерификацией тирозином
при использовании очищенного
тирозин-активнрующего фермента
и повторной обработкой полидиазостиролом.
С неэтерифицированной специфичной
к гистидину рибонуклеиновой
кислотой реакции не происходило,
и она оставалась в растворе,
в то время как специфичная
к тирозину нуклеиновая кислота
освобождалась, как и прежде, при
обработке щелочью в мягких
условиях. Обе фракции получены
почти чистыми в отношении
их аминокислотоакцепторной специфичности.
Предварительные наблюдения показали,
что специфичная к валину рибонуклеиновая
кислота, вполне вероятно, может
быть этерифицирована дипептидом
тирозилвалином.
4
Жидкофазные методы выделения нуклеиновых
кислот
4.1 Классические
методы выделения нуклеиновых кислот
Классические
методы выделения нуклеиновых кислот
из сложных исходных образцов, таких
как кровь или ткани, включают
в себя лизис биологического материала
детергентами или хаотропными агентами
иногда в присутствии разрушающих белки
ферментов. После этого этапа следуют
несколько стадий, в которых используются
органические растворители, такие как
фенол и/или хлороформ или этанол. Полное
отделение белков от нуклеиновых кислот
может быть достигнуто добавлением перхлората
натрия [4]. Для отделения РНК от ДНК необходимо
селективное инкубирование с хлоридом
лития или специфичное безнуклеазное
изолирование с гуанидин хлоридом или
гуанидин тиоцианатом, скомбинированное
с фенольной экстракцией или этанольной
преципитацией [5]. Такие методы увеличивают
вероятность деградации нуклеиновых кислот,
потери образца или кросс-контаминации
образцов, если несколько проб обрабатываются
одновременно. При выделении РНК очень
велик риск контаминации со стороны присутствующей
в исходном образце ДНК.