Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow География arrow БИОХИМИЯ
Посмотреть оригинал

Структура нуклеиновых кислот

Молекулы нуклеиновых кислот всех типов живых организмов — это длинные не- разветвленные полимеры мононуклеотидов. Роль мостика между нуклеотидами выполняет 3',5'-фосфодиэфирная связь, соединяющая 5'-фосфат одного нуклеотида и З'-гид- роксил остаток рибозы (или дезоксирибозы) следующего. В связи с этим пол и нуклеотидная цепь оказывается полярной. На одном ее конце остается свободной 5/-0-Фн-группа, на другом З'-ОН-группа.

Для записи структуры нуклеиновой кислоты или ее фрагмента широко используют сокращенную символику (рис. 14.1).

Структура и функции дезоксирибонуклеиновых кислот

ДНК, подобно белкам, имеет первичную, вторичную и третичную структуры.

Первичная структура ДНК. Данная структура определяет закодированную в ней информацию, представляя собой последовательность чередования дезоксирибонукле- отидов в пол и нуклеотидной цепи. Хотя ДНК содержит всего четыре типа мономерных звеньев, количество возможных нуклеотидных последовательностей превосходит таковое для белков вследствие существенно ббльшсй длины полинуклеотидных цепей.

Определение первичной структуры ДНК долгие годы оставалось неразрешимой задачей. В 70-х гг. XX в. с открытием ферментов рестриктаз, «разрезающих» молекулы ДНК в строго определенных точках, А. Максамом и В. Гилбертом был разработан метод секвенирования, позволяющий определять последовательности до 1000 нуклеотидов. В 1985 г. удалось создать прибор для автоматического анализа нуклеиновых кислот. В последнее десятилетие в этой области наметился существенный прогресс, в результате чего определена последовательность не только отдельных генов, но и целых хромосом у разных видов живых организмов, в том числе и человека. Все данные по структуре генов, публикующиеся в мировой научной литературе, вводятся в память компьютера, формируя банк данных.

В результате проведенных исследований было установлено, что в молекулах ДНК бактериофагов почти все последовательности нуклеотидов уникальны, т. е. встречаются один раз. В ДНК бактерий большинство генов также уникальны, но некоторые последовательности (кодирующие транспортные и рибосомные РНК) повторяются по нескольку раз. В геноме эукариотов уникальные последовательности нуклеотидов, т. с. структурные гены, несущие информацию о структуре специфических белков, составляют около 60% ДНК. Остальную часть ДНК составляют повторяющиеся последовательности. От 10 до 25% генома животных представлено умеренно повторяющимися последовательностями. Они являются структурными генами продуктов, необходимых клетке в больших количествах. Это гены рибосомных и транспортных РНК, белков гистонов, отдельных цепей иммуноглобулинов. Они, как правило, расположены в ДНК в виде тандемных повторов, т. е. друг за другом, один ген отделяется от другого спейсером (от англ, spacer— промежуток). В группу умеренно повторяющихся последовательностей входят также участки ДНК, выполняющие регуляторные функции. Кроме того, в ДНК эукариот встречаются часто повторяющиеся последовательности (105— 106раз). В основном это сате- литная ДНК, обнаруживаемая в центромерных областях хромосом, участвующая, по-видимому, в спаривании и расхождении хромосом.

Несмотря на различия в первичной структуре ДНК, в суммарном нуклеотидном составе всех типов ДНК имеются общие закономерности, установленные Е. Чаргаффом, которые подтверждены огромным фактическим материалом, сыгравшим важную роль в формировании представления о вторичной структуре ДНК.

Закономерности Чаргаффа сводятся к следующему:

  • • молярное соотношение аденина к тимину равно 1 (А = Т, или А/Т = 1);
  • • молярное соотношение гуанина к цитозину равно 1 (Г = Ц, или Г/Ц = 1);
  • • сумма пуриновых нуклеотидов равна сумме пиримидиновых нуклеотидов;
  • • в ДНК из разных источников отношение Г + Ц/А + Т, называемое коэффициентом специфичности, неодинаково.

В ДНК некоторых видов преобладает суммарное количество аденина и тимина, это так называемые АТ-тип ДНК. АТ-тип преобладает у всех позвоночных и беспозвоночных животных и высших растений. ГЦ-тип (с суммарным преобладанием гуанина и цитозина) встречается у микроорганизмов, хотя некоторые из них могут иметь и АТ-тип. В связи с этим Е. Чаргафф выдвинул положение о видовой специфичности ДНК по нуклеотидному составу. Нуклеотидный состав ДНК бактерий в настоящее время используют как один из таксономических признаков.

Вторичная структура ДНК. В соответствии с моделью, предложенной в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком, она представляет собой двухцепочечную правозакрученную спираль из комплементарных друг другу антипараллсльных полинуклеотидных нитей.

Для вторичной структуры ДНК решающим являются две особенности строения азотистых оснований нуклеотидов. Первая заключается в наличии групп, способных образовывать водородные связи. Так, между А и Т могут образовываться две, а между Г и Ц — три водородные связи. Эти азотистые основания называются комплементарными. Вторая особенность заключается в том, что пары комплементарных оснований А—Т и Г—Ц оказываются одинаковыми не только по размеру, но и по форме (рис .14.2).

Пары оснований, связанные водородными связями

Рис. 14.2. Пары оснований, связанные водородными связями: для А—Т- и Г— Ц-пар межатомные расстояния и углы приблизительно одинаковы

Двойная спираль ДНК

Рис. 14.3. Двойная спираль ДНК

Благодаря способности нуклеотидов к спариванию, образуется жесткая, хорошо стабилизированная двухцепочечная структура, обладающая следующими свойствами (рис. 14.3).

  • • Сахарофосфатные остовы двух цепей образуют правозакрученную спираль с общей осью и диаметром 0,2 нм. В спирали существуют две бороздки — большая и малая. На каждый виток спирали приходится 10 пар оснований.
  • • Сахарофосфатные остовы двух полинуклеотидных цепей, расположенные снаружи, связаны между собой водородными связями между отходящими от них вовнутрь азотистыми основаниями. Плоскости оснований перпендикулярны оси спирали и отстоят друг от друга на 0,34 нм.
  • • Гидрофобные взаимодействия между плоскостями ароматических колец оснований стабилизируют структуру, преодолевая силы электростатического отталкивания между отрицательно заряженными фосфатными группами.
  • • Две цепи антипараллельны, т. е. по своему химическому строению они ориентированы в противоположных направлениях. Анти параллельная направленность имеет важное биологическое значение при репликации и транскрипции ДНК.

На основе тщательного анализа рентгенограмм выделенных ДН К установлено, что двойная спираль ДНК может существовать в виде нескольких форм (А. В, С, Z и др.). Указанные формы ДНК различаются диаметром и шагом

Схема А- и 5-форм двойной спирали

Рис. 14.4. Схема А- и 5-форм двойной спирали

спирали, числом пар оснований в витке, углом наклона плоскости оснований по отношению к оси молекулы (рис. 14.4).

В форме В, описанной моделью Дж. Уотсона и Ф. Крика, на один виток спирали приходится 10 пар оснований, шаг спирали 3,4 нм, диаметр 1,8 нм, угол наклона к оси 0°. Форма В, по-видимому, благоприятна для процесса репликации. В форме А на один виток приходится 11 пар оснований, шаг спирали 2,8 нм, угол наклона на плоскости оснований к оси составляет 20е. Форма А является предпочтительной для процессов транскрипции. Форма С, выявленная у ряда вирусов и в составе надмолекулярных структур хроматина, имеет 9,3 пары оснований в витке с углом наклона 5е.

Z-Форма ДНК — наименее скрученная (12 пар оснований на виток). Она представляет собой левозакрученную двойную спираль, в которой фосфо- эфирный остов расположен зигзагообразно вдоль оси. Z-Форма обладает только одной бороздкой. Как известно, в бороздках ДНК регуляторные белки могут специфически взаимодействовать с определенными атомами нуклеиновых оснований, т. е. «узнавать» конкретные нуклеотидные последовательности без нарушения комплементарных взаимодействий в структуре двойной спирали. Тем самым регуляторные белки могут осуществлять контроль экспрессии генов. Некоторые белки, связывающиеся в большой или малой бороздках формы, вероятно, не способны связываться с Z-формой. В связи с этим Z-форма, возникающая, как правило, при высоких концентрациях солей, спермина, спермидина, при метилировании остатков дезоксицитидина, при высоком содержании отрицательных супер витков в молекуле ДНК, может участвовать в регуляции экспрессии генов.

Описанные формы ДНК способны к взаимно обратимым переходам в зависимости от условий среды.

Третичная структура ДНК. У всех живых организмов двухспиральные молекулы ДНК плотно упакованы с образованием сложных трехмерных структур.

Двухцепочечные ДНК прокариот, имеющие кольцевую ковалентно-замкнутую форму, образуют левые (-) суперспирали. Суперспирализация прежде всего необходима для «упаковки» громадной молекулы ДНК в малом объеме клетки. Например, ДНК ?. coli имеет длину более 1 мм, в то время как длина клетки не превышает 5мкм. Помимо этого, суперспирализация ДНК, облегчающая ее расплетение, обеспечивает начало репликации и транскрипции (рис. 14.5).

Третичная структура ДНК эукариотических клеток также образуется путем суперспирализации, но не свободной ДНК, а ее комплексов с белками хромосом.

Ядерный хроматин содержит ДНК, гистоновые и негистоновые белки, небольшое количество РНК. В пространственной организации хромосом можно выделить несколько уровней. Первый уровень — нуклеосомный. Нуклеосом- ная нить образуется при взаимодействии ДНК с белками-гистонами. Гистоны представляют собой простые белки с молекулярной массой 14—20 kDa, в аминокислотном составе которых преобладают аргинин и лизин, глицин и цистеин. Преобладание лизина и аргинина придает гистонам щелочной характер и обеспечивает их способность взаимодействовать с кислотными группами ДНК. Во всех типах эукариотических клеток обнаружено 5 классов гистонов

Третичная структура ДНК прокариот

Рис. 14.5. Третичная структура ДНК прокариот:

а — линейная олноцепочечная ДН К — бактериофаг ф х 174 и другие вирусы: б — кольцевая одноцепочечная ДНК вирусов и митохондрий; в — кольцевая двойная спираль ДНК

(Н1, Н2, НЗ, Н4, Н5), рахтичаюшихся по содержанию (%) основных аминокислот, обусловливающему их физико-химические свойства (электрофоретическую подвижность, ИЭТ и др.). Гистоны являются эволюционно консервативными белками. Степень гомологии аминокислотных последовательностей гистонов Н2, НЗ, Н4, Н5 у разных видов животных, растений и грибов достаточно высока. Эти гистоны попарно образуют октамеры (белковые коры дисковидной формы, которые оплетаются молекулой ДНК). Участок ДНК, спирально оплетающий октаметр, содержит в среднем 145—150 нуклеотидных пар и формирует примерно 1,75 витка левой спирали. Свободные от контакта с белковыми корами участки ДНК называют линкерными (или связующими). Их длина варьирует в за-

Третичная структура ДНК эукариот

Рис. 14.6. Третичная структура ДНК эукариот

висимости от типа клеток (от 15 до 100 нм). Линкерные участки ДНК либо свободны, либо связаны с гистоном Н1, который способствует компактизации нуклеосомной нити и может препятствовать транскрипции ряда генов. Гистоны в клетках подвергаются ковалентной модификации путем фосфорилирования, ацетилирования, метилирования и др. Это приводит к изменению их способности взаимодействовать с ДНК, что является одним из механизмов регуляции транскрипции генов.

В результате нуклеосомной организации хроматина двойная спираль ДНК диаметром 2 нм приобретает диаметр 10—11 нм и укорачивается примерно в 7 раз.

Вторым уровнем пространственной организации хромосом является образование из нуклеосомной нити хроматиновой фибриллы диаметром 20— 30 нм, что обеспечивает уменьшение линейных размеров ДНК еще в 6—7 раз. Наиболее вероятной считается соленоидная модель упаковки в хроматиновой фибрилле.

Третичный уровень организации хромосом обусловлен укладкой хроматиновой фибриллы в петли. В образовании петель принимают участие не гистоновые белки, узнающие специфические нуклеотидные последовательности в ненуклеосомной ДНК и фиксирующие образование петель. Участок ДНК, соответствующий одной петле, содержит от 20 000 до 80 000 пар нуклеотидов и, вероятно, представляет домен ДНК, соответствующий единице транскрипции. В результате такой упаковки линейные размеры ДНК уменьшаются примерно в 200 раз. Петлеобразная доменная организация ДНК, называемая интерфазной хромонемой, может подвергаться дальнейшей компактизации, степень которой меняется в зависимости от фазы клеточного цикла (рис. 14.6).

Физико-химические свойства ДНК. Различные факторы, нарушающие водородные связи (повышение температуры выше 80 °С, изменение pH и ионной силы, действие мочевины и др.), вызывают денатурацию ДНК, т. е. изменение пространственного расположения цепей ДНК без разрыва ковалентных связей. Двойная спираль ДНК при денатурации полностью или частично разделяется на составляющие ее цепи. Денатурация ДНК сопровождается усилением оптического поглощения в УФ-области пуриновых и пиримидиновых оснований. Это явление называют гиперхромным эффектом. При денатурации уменьшается также высокая вязкость, присущая растворам нативной ДНК. При восстановлении первоначальной двухспиральной структуры ДНК, в результате ренатурании, поглощение при 260 нм азотистыми основаниями вследствие их «экранированности» уменьшается. Это явление называют гипохромным эффектом.

«Расплетение» каждой ДНК на составляющие ее цепи осуществляется в пределах определенного интервала температур. Средняя точка этого интервала называется температурой плавления. Температура плавления ДНК зависит в стандартных условиях (определенная pH и ионная сила) от соотношения азотистых оснований. Г— Ц-пары, содержащие три водородные связи, более прочные, поэтому чем больше в ДНК содержание Г— Ц-пар, тем выше температура плавления.

Функции ДНК. В последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК закодирована генетическая информация. Основными функциями ДНК являются, во-первых, обеспечение воспроизводства самой себя в ряду клеточных поколений и поколений организмов, во-вторых, обеспечение синтеза белков. Эти функции ДНК обусловлены тем, что молекулы ДНК служат матрицей в первом случае для репликации, т. е. копирования информации в дочерних молекулах ДНК, во втором — для транскрипции, т. е. для перекодирования информации в структуру РНК.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы