Структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК)

К числу важнейших научных событий второй половины ХХ века следует отнести открытие того факта, что генетическая информация кодируется полимерной молекулой ДНК, образованной лишь четырьмя типами мономерных единиц. Именно ДНК служит химической основой наследственности. Молекула ДНК содержит в своей структуре множество генов. Гены функционируют не автономно: их репликация и транскрипция строго контролируются по принципу обратной связи, в которой ключевую роль играют продукты экспрессии. Знание структуры и функции нуклеиновых кислот необходимо для понимания сути генетических процессов, происходящих в клетке.

При рассмотрении структуры ДНК принято различать четыре уровня организации этой макромолекулы: первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры. Под первичной структурой ДНК (как и любой другой нуклеиновой кислоты) понимают последовательность нуклеотидов в полинуклеотидных цепях.

Вторичная структура – согласно модели Уотсона и Крика, предложенной в 1953 году, – это двойная спираль ДНК, состоящая из двух правозакрученных вокруг общей оси полинуклеотидных цепей. Уотсон и Крик предположили, что две полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК не связаны ковалентно, а соединяются водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями, направленными внутрь двойной спирали. Реакции взаимодействия G с C и A с T получили название спаривания оснований, а основания, способные образовывать пары, получили название комплементарных.

Согласно модели двойной спирали две полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК – антипараллельны, т.е. идут в противоположных направлениях. Поэтому, рассматривая спираль вдоль оси, можно видеть, что одна цепь идет в направлении 5¢ ® 3¢, а другая – в направлении 3¢ ® 5¢ (Рис. 12.7).

Рисунок 12.7 – Модель двойной спирали ДНК

Вдоль спирали основания уложены стопками друг на друга и стабилизация спиральной структуры дополнительно обеспечивается межплоскостными взаимодействиями между ароматическими кольцами соседних оснований. Эти специфические контакты получили название стэкинг-взаимодействий, которые являются результатом реализации вандерваальсовых сил, возникающих за счет перекрывания p-облаков над и под двойными связями ненасыщенных колец пуринов и пиримидинов, с одной стороны, и гидрофобных взаимодействий, с другой стороны.

Две соседние пары оснований в молекуле ДНК, расположенные вдоль оси спирали, образуют друг относительно друга угол в 36°. Таким образом, 10 пар оснований составляют один полный оборот спирали в 360°. Две цепи, образующие двойную спираль, уложены таким способом, что наблюдаемая структура характеризуется наличием малой бороздки, шириной 12Å (1,2 нм) и большой бороздки, шириной 22Å (2,2 нм) (Рис. 12.7). Двойная спираль является правосторонней: если смотреть вдоль оси спирали – повороты следуют по часовой стрелке. Данное описание соответствует модели ДНК, известной как B-форма.

Таблица 12.2 – Количественные параметры трех основных форм ДНК

Параметры спирали	А-форма	В-форма	Z-форма
Направление спирали	Правосторонняя	Правосторонняя	Левосторонняя
Диаметр	@ 26 Ǻ	@ 20 Ǻ	@ 18 Ǻ
Число пар оснований в одном витке спирали		10,5
Расстояние между парами оснований по ходу спирали	2,6 Ǻ	3.4 Ǻ	7,7 Ǻ
Наклон плоскости в которой расположены основания по отношению к перпендикуляру проведенному к оси спирали	20°	6°	7°
Конформация углевода	С-3¢ эндо	С-2¢ эндо	С-2¢ эндо для пиримидинов; С-2¢-экзо для пуринов
Конформация гликозидной связи	Анти	Анти	Анти для пиримидинов; син для пуринов

ДНК может формировать несколько типов двойных спиралей. В настоящее время описано, по крайней мере, шесть форм (от А- до Е- и Z-форма). Большая часть структурных вариантов ДНК может существовать только в строго контролируемых условиях. Эти варианты различаются: 1) числом пар оснований, приходящихся на один виток двойной спирали; 2) расстоянием между плоскостями пар оснований и углом, который они образуют с осью спирали; 3) диаметром спирали; 4) направленностью (правая, левая) двойной спирали (Таблица 12.2). Важно, что разнообразные структурные варианты абсолютно не противоречат основополагающим принципам строения ДНК, сформулированным Уотсоном и Криком: комплементарности цепей, их антипараллельности и правилам спаривания оснований – А = Т и G ≡ C.

Структурные вариации в ДНК могут зависеть от трех основных процессов: изменения конформации остатков дезоксирибозы, вращения связей между атомами, формирующими сахарофосфатный остов ДНК и свободного вращения С-1'-N-гликозидной связи. Вследствие стерических причин пуриновые основания в составе пуриновых нуклеотидов в ДНК могут приобретать относительно остатка дезоксирибозы две стабильные конформации обозначаемые как син и анти (см. Рис. 12.8). В то же время пиримидиновые основания пиримидиновых нуклеотидов присутствуют в ДНК в виде анти-конформеров, что связано со стерическими несоответствиями, возникающими между углеводной частью нуклеотида и карбонильным кислородом в С-2 положении пиримидина (рис. 12.8).

Рисунок 12.8 – Пуриновые основания в составе соответствующих нуклеотидов могут принимать две стерически доступные конформации – син или анти относительно характера присоединения основания к остатку дезоксирибозы. Пиримидиновые основания, главным образом, приобретают анти-конформацию

При физиологических условиях (низкая концентрация соли, высокая степень гидратации) доминирующим структурным типом ДНК является правоспиральная В-форма. Шаг спирали такой молекулы равен 34 Å (3,4 нм). На один виток ДНК приходится 10 пар оснований, удерживаемых водородными связями и стэкинг-взаимодействиями.

А-форма отличается от В-формы тем, что плоскости оснований составляют с перпендикуляром к оси спирали угол, равный 20°. Поэтому расстояние между парами оснований по вертикали уменьшается до 2,6 Å (0,26 нм), а число пар на виток увеличивается до 11-12. А-форма интересна еще и тем, что ее конформация близка к структуре гибридов ДНК-РНК и структуре двухспиральных РНК.

Z-форма представляет собой наиболее резкий контраст с классическими формами ДНК. Характерной особенностью В- и А-форм ДНК является то, что сахарофосфатные остовы обеих цепей этих ДНК образуют правую спираль. При определенных условиях отдельные участки ДНК принимают форму левой спирали. В этом случае расстояние между соседними парами оснований увеличивается до 7,7 Å (0,77 нм), а число пар на один виток возрастает до 12. Свое название Z-форма получила из-за зигзагообразной (zigzag) линии, которую образует сахарофосфатный остов вдоль спирали.

Двухцепочечные кольцевые молекулы ДНК, за крайне редким исключением, обладают уникальными топологическими характеристиками. Кольцевые молекулы имеют в структуре соответствующие изгибы и петли, которые получили название супервитков и которые хорошо различимы при использовании электронной микроскопии (Рис. 12. 9).

Рисунок 12.9 – Электронные микрофотографии суперспирализованных молекул ДНК: А – суперспирализованная митохондриальная ДНК; В – релаксированная форма митохондриальной ДНК; С – двухцепочечная кольцевая ДНК фага М13 с разной степенью сверхспиральности. На последней микрофотографии цифрами указано число супервитков в каждой молекуле

Если двойную спираль повернуть на один или несколько полных оборотов в направлении ее раскручивания, то в результате получим напряженную структуру. Такая напряженная структура, которая характеризуется недостатком оборотов, получила название отрицательносуперспирализованнойДНК. Возникшие отрицательные супервитки закручивают ДНК против часовой стрелки, т.е. в направлении, противоположном ходу обычной правосторонней двойной спирали. Такую спираль называют недокрученной. Напряжение, возникающее вследствие дефицита витков, может быть компенсировано либо разрушением водородных связей между комплементарными парами оснований и раскрытием двойной спирали на небольшом участке макромолекулы, либо путем сворачивания в направлении, противоположном тому, в котором она была повернута.

Рисунок 12.10 – Напряжение, возникающее вследствие дефицита витков, может быть смягчено за счет образования третичной структуры с хорошо различимыми супервитками или компенсировано разрушением водородных связей между комплементарными парами оснований и раскрытием двойной спирали на небольшом участке макромолекулы. В результате разрушения водородных связей получаемая структура может приобрести вид регулярной релаксированной двойной спирали, содержащей небольшую одноцепочечную петлю называемую «пузырьком»

Таким образом, напряжение вращения, которое было внесено в молекулу, может быть смягчено за счет образования третичной структуры с хорошо различимыми супервитками (Рис. 12.10).

Наконец, под четвертичной структурой ДНК понимают образование нуклеопротеидных комплексов (нуклеосом – комплексов гистонов с ДНК у эукариот или комплексов гистоноподобных белков с ДНК у прокариот), которые принимают участие в компактизации ДНК с образованием хромосом (у эукариот) или нуклеоидов (у прокариот).

Структура рибонуклеиновых кислот (РНК)

РНК представляет собой полимер пуриновых и пиримидиновых рибонуклеотидов, соединенных друг с другом, как и в ДНК, 3¢,5¢-фосфодиэфирными мостиками. По ряду признаков ДНК и РНК отличаются друг от друга. У РНК углеводным остатком, к которому присоединены пуриновые или пиримидиновые основания и фосфатные группы, является рибоза, а не 2¢-дезоксирибоза (как у ДНК). Пиримидиновые компоненты РНК отличаются от таковых у ДНК. РНК не содержит тимина, а его место в молекуле РНК занимает урацил. РНК – одноцепочечная молекула, которая способна сворачиваться с образованием «шпилек», особых структур, имеющих двухспиральные характеристики.

При описании строения рибонуклеиновых кислот, как правило, упоминают три вида молекул РНК: информационные РНК (иРНК), рибосоманые РНК (рРНК) и транспортные РНК (тРНК). Информационные РНК выполняют функцию молекул-посредников и служат переносчиками информации от гена к белок-синтезирующей системе клетки. Они выполняют функцию матриц для синтезируемого полипептида, т.е. определяют аминокислотную последовательность белка. Рибосомные РНК играют роль структурных компонентов рибосом, которые обеспечивают специфический контакт иРНК и тРНК, в результате которого происходит трансляция нуклеотидной последовательности, считанной с определенного гена, в аминокислотную последовательность соответствующего белка. Транспортные РНК – это адапторные молекулы, участвующие в трансляции информации иРНК в последовательность аминокислот в белках.

Кроме упомянутых выше трех видов РНК, в настоящее время открыты и интенсивно изучаются так называемые малые ядерные РНК (мяРНК), обозначаемые U1, U2, U4, U5 и U6, которые принимают участие в формировании сплайсисом – организованных структур обеспечивающих сплайсинг иРНК эукариот. Более того, в 2000 году был открыт неизвестный ранее вид двухцепочечных молекул РНК, которые получили название малых интерферирующих РНК (миРНК), принимающих участие в защите клеток от вирусных инфекций.

Теоретическая часть

Витамины

Витамины (от лат. vita – жизнь) – низкомолекулярные органические соединения различной химической природы, необходимые для осуществления жизненно важных биохимических и физиологических процессов в живых организмах. Организм человека и животных не обладает способностью синтезировать витамины или синтезирует некоторые из них в недостаточном количестве, поэтому он должен их получать в готовом виде с пищей. Витамины обладают исключительно высокой биологической активностью и требуются организму в небольших количествах – от нескольких мкг до нескольких мг в день.

Витамины, участвующие в биохимических процессах, являются либо предшественниками коферментов (витамин В₁), либо представляют собой собственно коферменты (липоамид). Некоторые витамины обеспечивают протекание ряда физиологических процессов, например: витамин А₂ участвует в процессе зрительного восприятия; витамин А₃ – в процессе дифференцировки клеток; витамин D – в процессе формирования костной ткани; витамин Е выполняет функцию антиоксиданта.

Наряду с витаминами, в пище содержатся биологически активные вещества, которые по своим функциям ближе не к витаминам, а к другим незаменимым пищевым веществам. Эти вещества называют витаминоподобными. К ним обычно относят биофлавоноиды, холин, инозитол, оротовую, пангамовую и пара-аминобензойную кислоты, полиненасыщенные жирные кислоты и др.

Соединения, которые не являются витаминами, но служат предшественниками их образования в организме, называются провитаминами. К ним относятся, например, каротины, расщепляющиеся в организме с образованием витамина А, и некоторые стерины (эргостерин, 7-дегидрохолестерин и др.), превращающиеся в витамин D.

Некоторые аналоги и производные витаминов способны занимать место витамина в активном центре фермента, однако при этом не способны выполнять коферментную функцию, что ведет к снижению активности данного фермента и развитию соответствующей витаминной недостаточности. Такие соединения называются антивитаминами. Так, например, производные 4-гидроксикумарина (дикумарин и др.), предупреждающие возникновение тромбов, являются антагонистами витамина К. Сульфаниламидные препараты, оказывающие бактериостатическое действие, в то же время являются антагонистами пара-аминобензойной кислоты; аминоптерин и метотрексат (противоопухолевые препараты) служат антагонистами фолиевой кислоты. К антивитаминам относятся также вещества, связывающие или разрушающие витамины, например ферменты тиаминаза I и II, инактивирующие тиамин; белок яйца авидин, отличается способностью связывать биотин.

Ряд витаминов представлен не одним, а несколькими соединениями, обладающими сходной биологической активностью (витамеры), например, витамин В₆ существует в нескольких формах – в виде пиридоксина, пиридоксаля и пиридоксамина.

Для индивидуальных соединений, обладающих витаминной активностью, рекомендуется использовать рациональные названия, отражающие их химическую природу, например рибофлавин (витамин В₂), никотинамид и никотиновая кислота (витамин РР), ретинол (витамин А₁).

Витамины классифицируют по их растворимости, а именно различают водорастворимые (гидрофильные) и жирорастворимые (липофильные) вита-мины. С момента открытия первых витаминов и до настоящего времени используется буквенная классификация.

Основной специфической функцией водорастворимых витаминов в организме является их участие в качестве коферментов многих энзимов, катализирующих разнообразные реакции. Из жирорастворимых витаминов лишь витамины К и А₂ осуществляют коферментную функцию, а остальные участвуют в неферментативных физиологических процессах.

Знание функций витаминов позволяет понять причину возникновения различных патологических состояний, связанных с нарушением метаболизма веществ. Общей закономерностью является то, что дефицит того или иного витамина приводит к снижению активности соответствующего фермента и, следовательно, к торможению катализируемой этим ферментом реакции. Поскольку организм является сбалансированной саморегулирующейся системой, изменение метаболизма какого-либо вещества влечет за собой изменение обмена и других соединений. Наблюдаемые изменения в организме в целом проявляются не сразу, поскольку организм на начальном этапе дефицита какого-либо витамина компенсирует возникшее отклонение, изменяя метаболизм других веществ так, чтобы снизить отрицательное влияние дефицита витамина (состояние гиповитаминоза). Если дефицит витамина устранен, организм возвращается в нормальное состояние. В том случае, если дефицит витамина оказывается существенным и отличается длительным промежутком времени, возникает авитаминоз, который при исчерпании компенсаторных ресурсов организма может иметь летальные последствия.