Уровни структурной организации нуклеиновых кислот
Нуклеиновые кислоты имеют первичную, вторичную и третичную структуру.
Первичная структура нуклеиновых кислот
Первичной структурой нуклеиновых кислот называют порядок чередования нуклеотидов (нуклеозидионофосфатов) в полинуклеотидной цепи.
Мономеры в молекулах нуклеиновых кислот соединены сложноэфирной связью, образованной 5´- гидроксильной группой фосфатного остатка одного мононуклеотида и 3´ - гидроксильной группой пентозного остатка другого мононуклеотида (3', 5' - фосфодиэфирная связь). Ниже приведены фрагменты первичной структуры ДНК и РНК:
Линейные цепи ДНК и РНК, длина которых зависит от числа входящих в цепь нуклеотидов, имеют два конца: на одном имеется 5'- фосфатная ОН- группа (5'-конец), на другом - свободная З'-ОН- группа (3'-конец).
Разные нуклеиновые кислоты отличаются друг от друга фактически чередованием азотистых оснований, так как пентозофосфатные части у всех мономеров одинаковы. Для краткого изображения первичной структуры нуклеиновых кислот пользуются однобуквенными символами азотистых оснований. Первичная структура РНК может быть представлена такой записью:
(5´) А - У - А - А - Г - У - Ц - У-… (3-).
Запись структуры ДНК отличается приставкой «д» (дезокси) и вместо символа «У» встречается символ «Т» :
(5´) д (А - Т - А - Ц - Г - Т - А -...) (3').
Принимая средний молекулярный вес нуклеотидного остатка равным 330, легко подсчитать коэффициенты поликонденсации мономеров в молекулах нуклеиновых кислот. Учитывая, что молекулярная масса ДНК больше, чем РНК, для первых коэффициент поликонденсации всегда выше, чем для вторых.
Генетический «текст» ДНК составлен с помощью кодовых «слов» - триплетов нуклеотидов (кодогенов). Участки ДНК, содержащие информацию о первичной структуре всех типов РНК, называют структурными генами.
Порядок чередования нуклеотидов в РНК тот же, что и в копируемом участке ДНК, с той лишь разницей, что РНК состоит из рибонуклеотидов и вместо тимина в РНК - урацил.
Первичная структура мРНК (набор кодонов) скопирована с участка ДНК, содержащего информацию о первичной структуре белковой молекулы (набор кодогенов). Первичная структура остальных типов РНК (тРНК, рРНК, редкие РНК) является окончательной копией генетической программы соответствующих структурных генов ДНК.
В клетках высших организмов имеется 3 вида рРНК, различающихся по молекулярной массе (см.табл. 5), несколько десятков видов тРНК и огромное количество видов мРНК - не меньше, чем число разных белков в организме. Первичная структура нуклеиновых кислот определяет высшие уровни их организации - вторичную и третичную структуру.
Вторичная структура ДНК
Изучая состав ДНК, Чаргафф в 1949 г. установил важные закономерности, касающиеся отдельных оснований ДНК. Они помогли раскрыть вторичную структуру ДНК. Эти закономерности называют правилами Чаргаффа:
1) сумма пуриновых нуклеотидов равна сумме пиримидиновых нуклеотидов, т.е. А+ГУЦ+Т = 1;
2) содержание аденина равно содержанию тимина: А=Т;
3) содержание гуанина равно содержанию цитозина: Г=Ц;
4) количество аденина и цитозина равно количеству гуанина и тимина: А+Ц=Г+Т;
5) изменчивы только суммы А+Т и Г+Ц. Если А+Т>Г+Ц, то это AT - тип ДНК; если Г+Ц>А+Т, то это ГЦ-тип ДНК.
Эти правила говорят о том, что при построении ДНК должно соблюдаться довольно строгое соответствие не пуриновых и пиримидиновых оснований вообще, а конкретно тимина с аденином и цитозина с гуанином.
На основании правил Чаргаффа и рентгеноструктурных исследований Дж. Уотсон и Ф. Крик ( Великобритания ) предложили модель строения ДНК (1953), основные черты которой сформулированы ниже.
1. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, ориентированных антипараллельно и на всем протяжении связанных друг с другом водородными связями.
2. Водородные связи между цепями образуются за счет специфического комплементарного взаимодействия аденинового остатка одной цепи с тиминовым остатком другой цепи (пара А - Т) и гуанинового остатка одной цепи с цитозиновым остатком другой цепи (пара Г - Ц):
Основания А и Т, Ц и Г комплементарны друг другу в том смысле, что между ними легче возникают водородные связи, чем при других сочетаниях (например, А и Г, Ц и А и т.д.).
| Тимин | Аденин | Цитозин | Гуанин |
3. Первичная структура одной цепи молекулы ДНК комплементарна первичной структуре другой цепи. Это можно показать следующей схемой:
Таким образом, если известна первичная структура одной цепи, легко может быть написана, исходя из правил комплементарности, первичная структура другой цепи.
4. Обе цепи закручены в спираль, имеющую общую ось; цепи могут быть разъединены только путем раскручивания. Пуриновые и пиримидиновые основания обращены внутрь спирали; их плоскости перпендикулярны оси спирали и параллельны друг другу, образуя таким образом стопку оснований. Между основаниями в этой стопке возникают гидрофобные взаимодействия, которые стабилизируют двойную спираль даже больше, чем водородные связи между цепями. Пентозофосфатные части располагаются по периферии, образуя ковалентный остов спирали. По Уотсону и Крику: расстояние между витками (шаг спирали) равно 3,4 нм. На этом участке укладывается 10 нуклеотидных остатков, размер одного нуклеотида 0,34 нм, диаметр биспиральной молекулы равен 1,8 нм.
Рис. Схематическое изображение двойной спирали ДНК:
а - по Уотсону и Крику; б - А-форма ДНК; в - В-форма ДНК (С - остаток дезоксирибозы; Р - остаток фосфорной кислоты)
В настоящее время методами рентгеноструктурного анализа установлено существование четырех форм ДНК: А, В, С, Т. Простейшие из них А и В. У формы А наблюдается смещение пар оснований от оси молекулы к периферии, поэтому уменьшается шаг спирали до 2,8 нм, и в одном витке 11 мононуклеотидов вместо 10. В-форма приближается к модели Уотсона и Крика: шаг спирали 3,4 нм, диаметр биспирали - 1,7 нм . Между А- и В- формами ДНК осуществляются взаимопереходы, которые могут быть вызваны растворителями или белками. В этих переходах, очевидно, заключен определенный биологический смысл. Предполагается, что в А-форме ДНК выполняет роль матрицы в процессе транскрипции (синтез РНК на матрице ДНК), а в В-форме - роль матрицы в процессе репликации (синтез ДНК на матрице родительской ДНК).
Установлено, что в клетках ряда бактерий и вирусов ДНК существует в виде одноцепочечной молекулы, вторичная структура которой представляет собой сочетание неспирализованных участков с участками спирали, образованной за счет взаимодействия комплементарных друг другу оснований.
Описанная структура ДНК позволяет объяснить молекулярный механизм функциональных биологических явлений, таких как самовоспроизведение организмов, наследственность, изменчивость. Поэтому. 1953 г., когда Ф. Крик и Дж. Уотсон разработали модель строения ДНК, принято считать годом рождения молекулярной биологии.
Вторичная структура РНК
Молекулы РНК в отличие от ДНК построены из одной полинуклеотидной цепи. Однако в этой цепи (для рРНК и мРНК) имеются комплементарные друг другу участки, которые могут взаимодействовать, образуя двойные спирали. При этом соединяются водородными связями нуклеотидные пары А-У и Г-Ц. Такие спирализованные участки (их называют шпильками) обычно содержат небольшое количество нуклеотидных пар (до 20-30) и чередуются с неспирализованными участками.
Характерную вторичную структуру имеют тРНК. Они содержат четыре спирализованных участка и три (четыре) одноцепочные петли. При изображении такой структуры на плоскости получается фигура, называемая «клеверным листом» (рис. справа).
Рис.. Вторичная (справа) и третичная (слева) структура тРНК
Все несколько десятков разных тРНК клетки имеют общий план пространственной структуры, но различаются в деталях. В тРНК выделяют следующие структурные участки.
1. Акцепторный конец - во всех типах тРНК имеет состав ЦЦА. К гидроксилу З'-ОН аденозина карбоксильной группой присоединяется аминокислота, которую данная тРНК доставляет к рибосомам, где происходит синтез белка.
2. Антикодоновая петля - содержит специфический для каждой тРНК триплет нуклеотидов (антикодоны). Антикодон комплементарен кодону мРНК. Кодон-антикодоновое взаимодействие определяет порядок чередования аминокислот в белковой молекуле при синтезе ее на рибосомах.
3. Псевдоуридиловая петля (Г,С) - участвует в связывании тРНК с рибосомой.
4. Дигидроуридиловая (D) петля необходима для связывания с ферментом аминоацил-тРНК-синтетзой, которая участвует в узнавании аминокислотой своей тРНК.
5. Добавочная петля - разная у разных тРНК.