ДНК и РНК

Дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислота (ДНК и РНК) являются высокомолекулярными органическими соединениями, биополимерами, состоящими из нуклеотидов. В их названии кроме принадлежности к кислотам отображено два обстоятельства: принадлежность к ядру (лат. nucleus) клетки и наличие в составе сахара, а именно дизоксирибозы в ДНК и рибозы в РНК. Кроме сахара в состав ДНК и РНК входят фосфатные группы (остатки фосфорной кислоты) и азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, а также тимин (в ДНК) и урацил (в РНК). Азотистые основания часто обозначаются начальными буквами их названий (русский алфавит: А, Г, Ц, Т и У; латинский алфавит: А, G, С, Т и U). Нуклеотиды в качестве блоков ДНК и РНК состоят из фосфата, сахара и одного из азотистых оснований. На рис. 6.3 изображен один из дезоксинуклеотидов, в состав которого входит аденин.

Адениннуклеотид

Рис. 6.3. Адениннуклеотид

Азотистые основания соединяются с атомом сахара в месте 1'-атома водорода Н посредством ковалентной связи. Этот тин связи характерен также и для соединения фосфата с сахаром в месте 5'- и З'-атома водорода.

На рис. 6.4 представлена схема устройства ДНК. Остатки фосфорной кислоты изображены кругами, дезоксирибоза — пентагонами, а азотистые основания — прямоугольниками. Ковалентные связи обозначены сплошными, а водородные — пунктирными линиями. Нуклеотиды соединяются между собой прочной ковалентной связью через сахар одного нуклеотида и фосфорную кислоту другого. Получается сахарофосфатный остов. Каждая ветвь ДНК является спиралью, т.е. образованием, которое огибает ось, некоторую воображаемую линию (как правило, она не является прямой линией), занимающей в указанной молекуле центральное положение. Каждый виток спирали включает 10—12 пар азотистых оснований. Шаг спирали, т.е. расстояние вдоль оси ДНК, соответствующее одному полному витку, составляет 2,9—4,5 нм. Диаметр спирали равен 18—23 нм. Для многих разновидностей ДНК выполняется правило: чем больше шаг спирали, тем меньше ее диаметр. Так как шаг спирали ДНК больше ее диаметра, то обычно на рисунках и схемах ДНК изображается как спираль, вытянутая в вертикальном направлении. Размер молекулы ДНК обычно характеризуется в тысячах пар нуклеотидов (т.н.н.). Чем их больше, тем больше длина молекулы ДНК.

Схема устройства ДНК

Рис. 6.4. Схема устройства ДНК1

Число пар нуклеотидов простейших организмов и высших млекопитающих отличается в 105 раз, соответственно и длины их молекул ДНК отличаются во столько же число раз. Среднее число нуклеотидных пар в молекуле ДНК одного человека равно 1,5 • 108, длина же одной пары составляет 0,34 нм. Следовательно, средняя длина молекулы ДНК человека примерно равна 5 см. Для сравнения укажем, что эта длина в 5000 раз больше среднего размера клетки человека. Это обстоятельство указывает на исключительно плотную упаковку молекулы ДНК. В противном случае она просто не уместилась бы в ядре клетки. Если выстроить в линию все молекулы ДНК, заключенные в теле человека, то ее длина превзойдет расстояние от Земли до Солнца в 130 раз.

Азотистые основания, противостоящие друг другу в полинуклеотидных цепочках, объединяются посредством двух- или трехводородной связи. Эти связи в десятки раз слабее ковалентной связи, но вполне достаточны для того, чтобы стабилизировать ДНК в направлении, перпендикулярном спирали. Стабилизацию ДНК в направлении вдоль оси осуществляют межмо- леклярные силы, действующие между соседними азотистыми основаниями. Азотистые основания парны друг другу: аденину соответствует тимин, а гуа- [1]

нину — цитозин. Таким образом, входящие в состав ДНК полинуклеотидные цепочки комплементарны (дополнительны), но не тождественны друг другу. В составе ДНК содержится всего четыре азотистых основания, но их последовательность варьируется в широких пределах. Это обстоятельство определяет многообразие ДНК, которая для каждого организма является особой.

Цепи ДНК антипараллельны друг другу (поэтому на рис. 6.4 правые пентагоны относительно левых пентагонов даны в перевернутом виде): там, где у одной полинуклеотидной цепи 5'-конец, у другой — З'-конец и наоборот. Можно показать, что в случае отсутствия антипараллельности цепей ДНК она не могла бы быть устойчивой структурой. Каждая ветвь ДНК униполярна. Это означает, что синтез комплементарных цепей всегда проводится от 5'-конца к З'-концу. Дело в том, что как ДНК-, так и РНК- нолимеразы присоединяют новые остатки нуклеотидов только к З'-гидрок- сильной группе (—ОН), но не к 5'-концу.

Спираль ДНК может быть закрученной как вправо (по часовой стрелке), так и влево. Из трех наиболее активных в биологическом отношении ДНК две, а именно Л-ДНК и 5-ДНК, закручены вправо, а Z-ДНК влево (рис. 6.5).

Пространственные модели В-, А- и Z-ДНК

Рис. 6.5. Пространственные модели В-, А- и Z-ДНК1

Что касается молекул РНК, то они во многом устроены так же, как молекулы ДНК. По есть три существенных различия.

  • 1. Вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов входит рибоза.
  • 2. Тимин заменяется на урацил.
  • 3. Молекула РНК представляет собой не две, а одну цепь.

Выводы

  • • ДНК и РНК — две главные биомолекулы.
  • • Нуклеотиды ДНК и РНК состоят из фосфата, сахара и одного из азотистых оснований.
  • • ДНК представляет собой двухцепочечную структуру. [2]
  • • Азотистые основания в составе ДНК комплементарны друг другу.
  • • Цепи ДНК аитипараллельны друг другу и униполярны.
  • • Молекула РНК представляет собой не две, а одну цепь.

  • [1] Cell_Nucleas. URL: http://www.cronodon.com/BioTech/Cell_Nucleus.html/
  • [2] Lodish Н., Berk В., Kaiser Ch. A., Scott М. Р., BretscherA., Ploegh Н., Matsudaira Р. MolecularCell Biology. 6 ed. New York : W.H. Freeman and Company, 2008. Figure 4-4. URL: http://www.bio.miami.edu/tom/courses/protected/MCB6/ch04/4-04.jpg/
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >