11.5. Строение нуклеиновых кислот

Первичная структура РНК и ДНК – последовательное соединение нуклеотидов в полинуклеотидной цепи. Скелет полинуклеотидной цепи состоит из углеводных и фосфатных остатков , с углеводами посредством N- β – гликозидной связи соединены гетероциклические азотистые основания. С биологической точки зрения важнейшее значение имеют триплеты- блоки нуклеотидов из трех азотистых оснований, каждый из которых кодирует какую-либо аминокислоту или имеет определенную сигнальную функцию.

Структуру НК можно представить схематически :

5' 3' 5' 3' 5' 3'

фосфат —— пентоза —— фосфат —— пентоза —— фосфат —— пентоза -ОН

| | |

АО А О АО

В первичной структуре ДНК начало цепи определяют по пентозе, содержащей фосфат в положении 5'. Пентозы в полинуклеотидной цепи соединяются посредством фосфатных связей 3 '→ 5'. На конце цепи в положении 3'- пентозы ОН- группа остается свободной.

Структура ДНК высшего порядка- двойная спираль

Научное описание вторичной структуры ДНК относится к величайшим открытиям человечества в ХХ веке. Биохимик Д. Уотсон и физик Ф. Крик в 1953 году предложили модель структуры ДНК и механизм процесса репликации. В 1962 г. им присуждена Нобелевская премия .

В популярном виде история описана в книге Джеймса Уотсона « Двойная спираль», М.: Мир, 1973 . Книга весьма интересно описывает историю совместной работы , с юмором и легкой иронией автора к такому знаменательному событию, счастливыми «виновниками» которого были два молодых ученых . С момента открытия структуры ДНК человечество получило инструмент к развитию нового направления- биотехнологиям, синтезу белков путем рекомбинации генов ( гормоны в медицинской промышленности получают инсулин, эритропоэтин и многие другие ).

Открытию структуры ДНК способствовали исследования Э. Чаргаффа в отношении химического состава ДНК. Он обнаружил:

- количество пиримидиновых оснований равно количеству пуриновых

- количество тимина равно количеству аденина, а количество цитозина количеству

гуанина.

А = Т Г = Ц

А + Г = Т + Ц

А + Ц = Т + Г

Эти отношения получили название правила Чаргаффа.

Молекула ДНК представляет собой две перекрученные спирали. Скелет каждой спирали- цепочка из чередующихся остатков дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Спирали ориентированы таким образом., что образуют два неодинаковых спиральных желобка, которые идут параллельно главной оси. Эти желобки заполнены белками гистонами. Азотистые основания располагаются внутри спирали, почти перпендикулярно основной оси и образуют между цепочками комплементарные пары А…Т и Г…Ц.

Суммарная длина молекул ДНК в каждой клетке достигает 3 см. Диаметр клетки в среднем 10^–5 м , диаметр ДНК всего 2 •10 ^–9 м.

Основные параметры двойной спирали:

* диаметр 1,8 – 2нм,

* на одном витке 10 нуклеотидов

* высота шага витка ~ 3,4 нм

* расстояние между двумя нуклеотидами 0,34 нм .

Основания располагаются перпендикулярно оси цепи.

* направления полинуклеотидных цепей антипараллельное

* связь между фуранозными циклами дезоксирибозы посредством

фосфорной кислоты осуществляется из положения 3` к положению 5` в

каждой из цепей.

* Начало цепи – фосфорилирована гидроксильная группа пентозы в положении

- 5`, конец цепи – свободная гидроксильная группа пентозы в положении 3`.

* В составе ДНК и РНК нуклеозидные фрагменты находятся в анти- конформации пиримидиновый цикл пурина находится справа от гликозидной связи. Только такое положение позволяет образовать комплементарную пару ( см. формулы нуклеотидов)

* Между азотистыми основаниями возникают три вида взаимодействий:

1. “Поперечное”, участвуют комплементарные пары двух цепей. Возникает «циклический» перенос электронов между двумя азотистыми основаниями (Т – А, У – Ц), образуется дополнительная  - электронная система, которая обеспечивает дополнительное взаимодействие и защищает азотистые основания от нежелательных химических воздействий. Между аденином и тимином устанавливается две водородные связи, а между гуанином и цитозином – три водородные связи.

2. « Вертикальное» (stacking) , за счет укладывания в “стопки” , участвуют азотистые основания одной цепи. «Стэкинг- взаимодействие» имеет даже большее значение в стабилизации структуры, чем взаимодействие в комплементарных парах

3. Взаимодействие с водой играет существенную роль в поддержании пространственного строения двойной спирали, которая принимает максимально компактную структуру для уменьшения поверхности контакта с водой и направляет гидрофобные гетероциклические основания вовнутрь спирали.

Структура и состав нуклеопротеидных комплексов

В связывании нуклеиновой кислоты с белком принимают участие несколько видов взаимодействия:

- электростатическое

- водородные связи

- гидрофобное

По результатам рентгеноструктурного анализа путем компьютерного моделирования построены реальные трехмерные модели ДНК, рибосом, информосом и нуклеиновых кислот вирусов.

Гистоновые белки ДНК обладают выраженными основными свойствами и отличаются высокой степенью эволюционной консервативности. По соотношению двух основных аминокислот лизин/ аргинин их подразделяют на 5 классов : Н1, Н2А, Н 2В, Н3, Н4

Генная инженерия

Генная инженерия или техника рекомбинантных ДНК – совокупность приемов, позволяющих путем процессов in vitro перенести генетический материал из одного организма( источника гена) в другой( реципиент гена, хозяин гена). Используются методы и подходы биоорганической химии.

В заранее выделенный репликон хозяина in vitro вводят нужный ген из другого источника. Полученную таким способом рекомбинантную молекулу, сохраняющую все свойства репликона, снова вводят в клетку – хозяина, в которой он будет реплицироваться и стабильно передаваться клеткам-потомкам при делении. Репликоны, предназначенные для введения в клетку-хозяина, носят название векторы.

Основные химические способы введения вектора связаны с использованием ферментативных биохимических методов. Важнейшим этапов синтеза искусственных двухцепочечных фрагментов ДНК является их клонирование так, чтобы синтезированная последовательность сохранилась и могла функционировать - передавать генетическую информации о синтезе белка

Полимеразная цепная реакция

Полимеразная цепная реакция( polymerase chain reaction PCR )- перспективная разработка в химии ДНК. Позволяет синтезировать в больших количествах отдельные участки ДНК или фрагмент нуклеотида. Эту методику используют в криминалистике, она

позволяет выделить ДНК из окаменелых остатков давно исчезнувших видов животных.

По программе HUGO ( Human Genom – Геном человека) в 2000 г. был определен каждый отдельный код ДНК в генетическом материале человека.

PCR состоит в синтезе двух коротких олигонуклеотидов, точно связывающихся с концами ДНК, которые будут копироваться. Фермент ДНК-полимераза начинает сборку копий двух цепей, приводящую к получению двух новых цепей ДНК. Нагревание образца вызывает расплетание двойных спиралей и дает новые четыре цепи, которые используются для образования еще новых четырех цепей и т.д.