Химический состав и строение нуклеиновых кислот
ДНК – это полимер, состоящий из последовательности химически связанных между собой нуклеотидов. Нуклеотид – основная структурная единица нуклеиновых кислот. Нуклеотид состоит из трех химически различных компонентов, соединенных ковалентными связями: содержит гетероциклическое кольцо из атомов углерода и азота (азотистое основание), пятиуглеродное сахарное кольцо (пентозу – С5Н10О4) и фосфатную группу, сообщающей ДНК кислотные свойства.
Название дезоксирибонуклеиновая кислота определяется характером пентозы, входящей в состав молекулы ДНК. В ДНК пентозой является 2-дезокси-Д рибоза (в положении 2 отсутствуют гидроксильная группа -ОН).
В состав ДНК входят два типа азотистых оснований: пуриновые и пиримидиновые. К пуриновым азотистым основаниям, имеющим два конденсированных кольца: одно пятичленное и второе шестичленное, относятся аденин (А) и гуанин (Г). К пиримидиновым азотистым основаниям, в молекуле которых имеется только одно шестичленное кольцо, относятся тимин (Т) и цитозин (Ц).
Редкие дезоксирибонуклеотиды: фаг Т2 не содержит цитозина, вместо него 5-оксиметилцитозин (СН2ОН группа).
ДНК ряда организмов содержит как цитозин, так и метилцитозин (СН3 группа). В вирусе вместо тимина – 5оксиметилурацил.
В некоторых ДНК наблюдается замещение аденина (NН2) – 6метиламинопурином (NСН3).
Азотистые основания соединены с каждым остатком 2- дезоксирибозы гликозидной связью между С-1 пентозного кольца и N-3 пиримидина и N-9 пурина. Соединение этого типа называется гликозид – нуклеозиддезоксиаденозин, дезоксицитидин, дезоксигуанозин, дезокситимидин).
Соседние нуклеозиды связаны остатками фосфорной кислоты через С 3 одного остатка дезоксирибозы и С-5 соседнего остатка (связь 3-5-3-5). Нуклеозид с одной или несколькими фосфатными группами называется нуклеотидом (дезоксицитидиловая кислота, дезоксиадениловая кислота, дезоксигуаноловая кислота, дезокситимидиловая кислота). Итак, связи между нуклеотидами в молекуле нуклеиновой кислоты образуются за счет (дезокси)рибозы и фосфатной группы.
В зависимости от количества присоединенных фосфатных групп различают нуклеозидмонофосфат (НМФ), нуклеозиддифосфат (НДМ), нуклеозидтрифосфат (НТФ). Трифосфаты играют очень важную роль молекул-предшественников в процессе синтеза нуклеиновых кислот. Аденозитрифосфат (АТФ) и гуанозинтрифосфат (ГТФ), благодаря макроэнергетическим фосфатным связям, обеспечивают энергией многие биологические процессы.
Таким образом, полинуклеотидная цепь ДНК состоит из ряда (5-3) –фосфодиэфирных связей, когда остаток фосфорной кислоты соединяется эфирными связями с двумя гидроксильными группами сахаров в позиции С-3 – С-5, образующих остов молекулы, к которому присоединяются азотистые основания.
Короткие цепочки из одного-двух десятков нуклеотидов называются олигонуклеотидами, а более длинные – полинуклеотидами.
Интактная молекула ДНК в зависимости вида организмов содержит от нескольких тысяч до многих миллионов нуклеотидов. ДНК хромосомы 1 человека равна 263 м.п.н. Интактная молекула РНК содержит от 100 до 100 000 нуклеотидов.
Любая молекула нуклеиновой кислоты записывается как последовательность нуклеотидов с различными основаниями, например – АТАЦГАГААААААЦГЦА. Эта последовательность нуклеотидов является первичной структурой молекулы нуклеиновой кислоты. Вторичная структура – двойная цепочка ДНК.
В 1950 г. Эдвином Чаргаффом с помощью хромотографии были получены следующие важные данные о химическом составе молекулы ДНК.
1. Молярное содержание аденина равно содержанию тимина, а молярное содержание гуанина равно содержанию цитозина [А] = [Т], [Г] = [Ц].
2. Независимо от источника получения, ДНК содержит равное количество пуриновых и пиримидиновых оснований. ( [А] +[ Г] ) = ( [ Т] + [Ц] ).
Эти равенства называются правилами Чаргаффа. Согласно правилам Чаргаффа, в молекуле ДНК пары оснований связаны между собой в определенном порядке.
Ранее считалось, структура молекулы ДНК довольно проста и представляет собой определенную тетрануклеотидную последовательность, например рАрЦрГрТ, многократно повторенную так, что она образует полимер вида (рАрЦрГрТ)n, так предполагал Ливен (Фебус А. Ливен в 1910 г. показал, что ДНК состоит из приблизительно равных количеств нуклеотидов). Таким образом, казалось, что молекула ДНК не обладает сложностью, химическим разнообразием, необходимой для вещества наследственности.
Исследования Чаргаффа по составу ДНК многих различных организмов показали, что состав оснований в ДНК различен у различных видов. В зависимости от видовой принадлежности меняется отношение (А + Т)/ (Г + Ц) так называемое отношение оснований, тогда как для любого данного вида эта величина остается постоянной. У разных видов бактерий величина отношения оснований колеблется в пределах 0,35 – 2,7. Эти данные позволили исключить возможность строения ДНК из одинаковых тетрануклеотидов, а напротив, ДНК обладает сложностью, необходимой для передачи наследственной информации.
С помощью рентгеноструктурного дифракционного анализа (анализ с помощью Х-лучей), проведенного Р. Франклин и Уилкинсоном в 1950–1953 гг., были выявлены следующие особенности молекулярной структуры ДНК:
1. Пуриновые и пиримидиновые основания представляют собой плоские структуры, расположенные в плоскостях, перпендикулярных длинной оси полинуклеотидной цепи, друг над другом, расстояние между соседними основаниями составляет 3, 4 А (10 А = 1нм).
2. Полинуклеотидная цепь закручена вокруг некой воображаемой оси, шаг этой спирали равен 34 А, диаметр 20 А.
3. Плотность свидетельствовала, что ДНК состоит более чем из одной спирально закрученной полинуклеотидной цепи.
Р. Франклин предположила, что молекула ДНК имеет спиральную структуру с шагом между витками 3,4, но точной модели ДНК построено не было. На основании этих и других данных Л. Полинг ошибочно предположил, что ДНК представляет собой тройную спираль. Рентгеновский дифракционный анализ структуры белковых молекул использовали Лайнус Полинг и другие химики. В начале 1938 г. Вильям Эструби попытался применить этот метод для анализа ДНК. Он обнаружил похожую на виток структуру, которая повторялась по длине молекулы с интервалом 3, 4 ангстрема (10 ангстрем = 1нм).
Кислотно-щелочное титрирование нативной (природной) ДНК показывает, что ее структура стабилизируется водородными связями. Титрование и нагревание нативной ДНК вызывает заметные изменения ее физических свойств – вязкости, переводя ее в денатурированную форму, причем, ковалентные связи не разрушаются.