Что входит в состав нуклеотида молекулы рнк. Химический состав нуклеотидов днк и рнк, их сходство и отличия. Что такое ДНК

Нуклеиновые кислоты представляют собой высокомолекулярные соединения, молекулярная масса которых колеблется от 25 тыс. до 1 млн и более.

Полимерные цепи нуклеиновых кислот построены из мономерных единиц - нуклеотидов, в связи с чем нуклеиновые кислоты назы- вают полинуклеотидами.

Обычно «неделимое» мономерное звено (например, аминокислотный остаток в белках) у нуклеотидов представляет собой трехкомпонентное образование, включающее гетероциклическое основание, углеводный остаток и фосфатную группу.

Углеводными компонентами служат пентозы - D-рибоза и 2-дезокси-э-рибоза. В зависимости от этого нуклеиновые кислоты делятся на рибонуклеиновые (РНК), содержащие рибозу, и дезоксирибо- нуклеиновые (ДНК), содержащие дезоксирибозу.

ДНК содержатся в основном в ядрах клеток, РНК находятся преимущественно в рибосомах, а также протоплазме клеток. РНК непосредственно участвуют в биосинтезе белка.

14.1. Нуклеотиды

14.1.1. Нуклеозиды

В химии нуклеиновых кислот входящие в их состав гетероциклические соединения пиримидинового и пуринового рядов обычно называют нуклеиновыми основаниями.

Нуклеиновые основания в качестве заместителей в гетероцикле могут содержать:

Либо оксогруппу, как в урациле и тимине;

Либо аминогруппу, как в аденине;

Либо одновременно обе эти группы, как в цитозине и гуанине.

Кислородсодержащие основания представлены лактамными таутомерными формами, в которых ароматичность не нарушена (см. 13.4). Для всех оснований приняты сокращенные трехбуквенные обозначения, составленные из первых букв их латинских названий.

Нуклеиновые кислоты различаются входящими в них гетероциклическими основаниями: урацил входит только в РНК, а тимин -

в ДНК:

Нуклеиновые основания образуют связь за счет одного из атомов азота с аномерным центром пентозы (D-рибозы или 2-дезокси-D- рибозы). Этот тип связи аналогичен обычной гликозидной связи и известен как N-гликозидная связь, а сами гликозиды - как N-гликози- ды. В химии нуклеиновых кислот их называют нуклеозидами.

В состав природных нуклеозидов пентозы входят в фуранозной форме (атомы углерода в них нумеруют цифрой со штрихом). Гликозидная связь осуществляется с атомом азота N-1 пиримидинового и N-9 пуринового оснований.

Природные нуклеозиды всегда являются β -аномерами.

В зависимости от природы углеводного остатка различают рибонуклеозиды и дезоксирибонуклеозиды. Для нуклеозидов употребительны названия, производимые от тривиального названия соответствующего нуклеинового основания с суффиксами -идин у пиримидиновых и -озин у пуриновых нуклеозидов.

Исключение составляет название «тимидин» (а не дезокситимидин), используемое для дезоксирибозида тимина, входящего в состав ДНК. В тех редких случаях, когда тимин встречается в РНК, соответствующий нуклеозид называется риботимидином.

Трехбуквенные символы нуклеозидов отличаются от символов оснований последней буквой. Однобуквенные символы применяются только для остатков (радикалов) нуклеозидов в более сложных структурах.

Нуклеозиды устойчивы к гидролизу в слабощелочной среде, но гидролизуются в кислой. Пуриновые нуклеозиды гидролизуются легко, пиримидиновые труднее.

В качестве лекарственных средств в онкологии используют синтетические производные пиримидинового и пуринового рядов, по строению похожие на естественные метаболиты (в данном случае - на нуклеиновые основания), но не полностью им идентичные, т. е. являющиеся антиметаболитами. Например, 5-фторурацил выступает

в роли антагониста урацила и тимина, 6-меркаптопурин - аденина. Конкурируя с метаболитами, они нарушают синтез нуклеиновых кислот в организме на разных этапах.

14.1.2. Нуклеотиды

Нуклеотидами называют фосфаты нуклеозидов. Фосфорная кислота обычно этерифицирует спиртовый гидроксил при С-5" или С-3" в остатке рибозы (рибонуклеотиды) или дезоксирибозы (дезоксирибонуклеотиды).

Общий принцип строения нуклеотидов показан на примере фосфатов аденозина. Для связывания трех компонентов в молекуле нуклеотида используются сложноэфирная и N-гликозидная связи.

Нуклеотиды можно рассматривать, с одной стороны, как эфиры нуклеозидов (фосфаты), а с другой - как кислоты (в связи с наличием остатка фосфорной кислоты).

За счет фосфатного остатка нуклеотиды проявляют свойства двухосновной кислоты и в физиологических условиях при рН ~7 находятся в полностью ионизированном состоянии.

Для нуклеотидов используют два вида названий (табл. 14.1). Одно включает наименование нуклеозида с указанием положения в нем фосфатного остатка, например, аденозин-3"-фосфат, уридин-5"-фос- фат; другое строится с добавлением сочетания -иловая кислота к названию остатка пиримидинового основания, например, 5"-уридило- вая кислота, или пуринового основания, например 3"-адениловая кислота.

Используя принятый для нуклеозидов однобуквенный код, 5"-фосфаты записывают с добавлением латинской буквы «р» перед символом нуклеозида, 3"-фосфаты - после символа нуклеозида. Аденозин-5"-фосфат обозначается рА, аденозин-3"-фосфат - Ар и т. п. Эти сокращенные обозначения используют для записи последовательности нуклеотидных остатков в нуклеиновых кислотах. По отношению к свободным нуклеотидам в биохимической литера-

туре широко используют их названия как монофосфатов с отражением этого признака в сокращенном коде, например АМР (или АМФ) для аденозин-5"-фосфата и т. д. (см. табл. 14.1).

Таблица 14.1. Важнейшие нуклеотиды, входящие в состав нуклеиновых кислот

Циклофосфаты. К ним относятся нуклеотиды, у которых одна молекула фосфорной кислоты этерифицирует одновременно две гидроксильные группы углеводного остатка. Практически во всех клетках присутствуют два нуклеозидциклофосфата - аденозин-3",5"- циклофосфат (cAMP) и гуанозин-3",5"-циклофосфат (cGMP).

14.2. Структура нуклеиновых кислот

14.2.1. Первичная структура

В полинуклеотидных цепях нуклеотидные звенья связаны через фосфатную группу. Фосфатная группа образует две сложноэфирные связи: с С-3" предыдущего и с С-5" последующего нуклеотидных звеньев (рис. 14.1). Каркас цепи состоит из чередующихся пентозных и фосфатных остатков, а гетероциклические основания являются «боковыми» группами, присоединенными к пентозным остаткам. Нуклеотид со свободной 5"-ОН группой называют 5"-концевым, а нуклеотид со свободной З"-ОН группой - З"-концевым.

На рисунке 14.2 приведено строение произвольного участка цепи ДНК, включающего четыре нуклеиновых основания. Легко представить, какое множество сочетаний можно получить путем варьирования последовательности четырех нуклеотидных остатков. Принцип построения цепи РНК такой же, как и у ДНК, с двумя исключениями: пентозным остатком в РНК служит D-рибоза, а в наборе гетероциклических оснований используется не тимин, а урацил.

Первичная структура нуклеиновых кислот определяется последовательностью нуклеотидных звеньев, связанных ковалентными связями в непрерывную цепь полинуклеотида.

Для удобства записи первичной структуры существует несколько способов сокращений. Один из них заключается в использовании ранее приведенных сокращенных названий нуклеозидов. Например, показанный на рис. 14.2 фрагмент цепи ДНК может быть записан

Рис. 14.1. Общий принцип строения полинуклеотидной цепи

Рис. 14.2. Первичная структура участка цепи ДНК

как d(ApCpGpTp...) или d(A-C-G-T...). Часто букву d опускают, если очевидно, что речь идет о ДНК.

Важной характеристикой нуклеиновых кислот служит нуклеотидный состав, т. е. набор и количественное отношение нуклеотидных компонентов. Нуклеотидный состав устанавливают, как правило, путем исследования продуктов гидролитического расщепления нуклеиновых кислот.

ДНК и РНК различаются поведением в условиях щелочного и кислотного гидролиза. ДНК устойчивы к гидролизу в щелочной среде. РНК легко гидролизуются в мягких условиях в щелочной среде до нуклеотидов, которые, в свою очередь, способны в щелочной среде отщеплять остаток фосфорной кислоты с образованием нуклеозидов. Нуклеозиды в кислой среде гидролизуются до гетероциклических оснований и углеводов.

14.2.2. Вторичная структура ДНК

Под вторичной структурой понимают пространственную организацию полинуклеотидной цепи. Согласно модели Уотсона-Крика молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, правозакрученных вокруг общей оси с образованием двойной спирали. Пуриновые и пиримидиновые основания направлены внутрь спирали. Между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи возникают водородные связи. Эти основа- ния составляют комплементарные пары.

Водородные связи образуются между аминогруппой одного основания и карбонильной группой другого -NH...O=C- , а также между амидным и иминным атомами азота -NH...N-Например, как показано ниже, между аденином и тимином образуются две водородные связи, и эти основания составляют комплементарную пару, т. е. аденину в одной цепи будет соответствовать тимин в другой цепи. Другую пару комплементарных оснований составляют гуанин и цитозин, между которыми возникают три водородные связи.

Водородные связи между комплементарными основаниями - один из видов взаимодействий, стабилизирующих двойную спираль. Две цепи ДНК, образующие двойную спираль, не идентичны, но комплементарны между собой. Это означает, что первичная структура, т. е. нуклеотидная последовательность, одной цепи предопределяет первичную структуру второй цепи (рис. 14.3).

Рис. 14.3. Комплементарность полинуклеотидных цепей в двойной спирали

ДНК

14.3. Нуклеотидные коферменты

Нуклеотиды имеют большое значение не только как строительный материал для нуклеиновых кислот. Они участвуют в биохими- ческих процессах и особенно важны в роли коферментов, т. е. веществ, тесно связанных с ферментами и необходимых для проявления ими ферментативной активности.

14.3.1. Нуклеозидполифосфаты

Во всех тканях организма содержатся моно-, ди- и трифосфаты нуклеозидов. Особенно широко известны аденинсодержащие нук- леотиды - аденозин-5"-фосфат (АМР), аденозин-5"-дифосфат (ADP)

и аденозин-5"-трифосфат (ATP) (для этих соединений наряду с приведенными сокращенными обозначениями латинскими буквами в оте- чественной литературе используют сокращения соответствующих русских названий - АМФ, АДФ, АТФ).

Нуклеотиды, фосфорилированные в разной степени, способны к взаимопревращениям путем наращивания или отщепления фос- фатных групп. Дифосфатная группа содержит одну, а трифосфатная - две ангидридные связи, называемые макроэргическими, поскольку они обладают большим запасом энергии. Необходимые для образования такой связи энергетические затраты восполняются за счет энергии, выделяемой в процессе метаболизма углеводов. При расщеплении макроэргической связи Р~О (обозначаемой волнистой линией) выделяется ~32 кДж/моль. С этим связана важнейшая роль АТФ как «поставщика» энергии во всех живых клетках.

В показанных ниже взаимопревращениях АМФ, АДФ и АТФ формулы этих соединений соответствуют их неионизированному состоянию. В физиологических условиях при рН ~7 фосфатные группы почти полностью ионизированы, поэтому в биохимической литературе эти и любые другие нуклеотиды записывают соответственно в виде анионов.

Нуклеозидполифосфаты в биохимических процессах. С участием АТФ и АДФ в организме осуществляется важнейший биохимический процесс - перенос фосфатных групп. Например, образование сложных эфиров (фосфатов) - типичная реакция в метаболизме углеводов. Все стадии гликолиза (превращения глюкозы в пируват) осуществляются только в фосфатной форме. Получение фосфатов гидроксилсодержа- щих соединений можно представить в виде общей схемы.

Так, галактоза, образующаяся при расщеплении лактозы, на начальной стадии метаболического превращения в глюкозу взаимо- действует с АТФ с образованием монофосфата.

14.3.2. Никотинамиднуклеотиды

Наиболее важными представителями этой группы соединений являются никотинамидадениндинуклеотид (NAD, или в русской литературе НАД) и его фосфат (NADP, или НАДФ). Эти соединения выполняют важную роль коферментов в осуществлении многих

окислительно-восстановительных реакций. В соответствии с этим они могут существовать как в окисленной (НАД+, НАДФ+), так и восстановленной (НАДН, НАДФН) форме.

Структурным фрагментом НАД + и НАДФ + является никотинамидный остаток в виде пиридиниевого катиона. В составе НАДН и НАДФН этот фрагмент превращается в остаток 1,4-дигидропиридина.

В ходе биологического дегидрирования субстрат теряет два атома водорода, т. е. два протона и два электрона (2Н+, 2е) или протон и гидрид-ион (Н+ и Н -). Кофермент НАД+ обычно рассматривается как акцептор гидрид-иона Н - (хотя окончательно не установлено, происходит ли перенос атома водорода к этому коферменту одновременно с переносом электрона или эти процессы протекают раздельно).

В результате восстановления путем присоединения гидрид-иона к НАД+ пиридиниевое кольцо переходит в 1,4-дигидропиридиновый фрагмент. Этот процесс обратим.

В реакции окисления ароматический пиридиниевый цикл переходит в неароматический 1,4-дигидропиридиновый цикл. В связи с потерей ароматичности возрастает энергия НАДН по сравнению с НАД + . Таким способом НАДН запасает энергию, которая затем расходуется в других биохимических процессах, требующих энергетических затрат.

Типичными примерами биохимических реакций с участием НАД+ служат окисление спиртовых групп в альдегидные (например, пре- вращение ретинола в ретиналь, см. 15.4), а с участием НАДН - восстановление карбонильных групп в спиртовые (превращение пировиноградной кислоты в молочную, см. 9.2.3).

Практически каждый слышал о существовании в живых клетках молекул ДНК и знает, что эта молекула ответственна за передачу наследственной информации. Огромная куча разных фильмов в той или иной степени строит свои сюжеты на свойствах маленькой, но гордой очень важной молекулы.

Однако мало кто хоть примерно сможет объяснить, что именно входит в состав молекулы ДНК и каким образом функционируют процессы считывания этой всей информации о «строении всего организма». Прочитать же без запинки «дезоксирибонуклеиновая кислота» способны и вовсе единицы.

Попробуем разобраться, из чего же состоит и как выглядит самая важная для каждого из нас молекула.

Строение структурного звена - нуклеотида

В состав молекулы ДНК входит множество структурных единиц, поскольку она является биополимером. Полимер - это макромолекула, которая состоит из множества маленьких, последовательно соединенных повторяющихся фрагментов. Подобно тому как цепь состоит из звеньев.

Структурным звеном макромолекулы ДНК является нуклеотид. В состав нуклеотидов молекулы ДНК входят остатки трех веществ - ортофосфорной кислоты, сахарида (дезоксирибозы) и одного из четырех возможных азотсодержащих оснований.

В состав молекулы ДНК входят азотистые основания: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т).

Состав цепи нуклеотидов отображают чередованием вошедших в нее оснований: -ААГЦГТТАГЦАЦГТ- и т.п. Последовательность может быть любая. Так формируется одинарная цепочка ДНК.

Спирализация молекулы. Явление комплементарности

Величина молекулы ДНК человека чудовищно огромна (в масштабах других молекул, конечно)! В геноме одной-единственной клетки (46 хромосом) содержится примерно 3,1 млрд пар нуклеотидов. Длина цепочки ДНК, составленной таким количеством звеньев, равняется примерно двум метрам. Трудно представить, каким образом настолько громоздкую молекулу можно разместить в пределах крохотной клетки.

Но природа позаботилась о более компактной упаковке и защите своего генома - две цепочки соединяются между собой азотистыми основаниями и образуют хорошо известную двойную спираль. Таким образом, удается сократить длину молекулы почти в шесть раз.

Порядок взаимодействия азотистых оснований строго определен явлением комплементарности. Аденин может соединяться исключительно с тимином, а цитозин взаимодействует только с гуанином. Эти комплементарные пары подходят друг другу как ключ и замок, как кусочки пазла.

Теперь давайте посчитаем, сколько же памяти в компьютере (ну или на флешке) должна занимать вся информация об этой маленькой (в масштабе нашего с вами мира) молекуле. Количество пар нуклеотидов - 3,1х10 9 . Всего значений 4, что означает - для одной пары достаточно 2-х бит информации (2 2 значений). Умножаем все это друг на друга и получаем 6200000000 бит, или 775000000 байт, или 775000 килобайт, или 775 мегабайт. Что примерно соответствует емкости CD диска или объему какой-нибудь 40-минутной серии фильма в среднем качестве.

Образование хромосом. Определение генома человека

Помимо спирализации, молекула еще неоднократно подвергается уплотнению. Двойная спираль начинает закручиваться подобно клубку ниток – этот процесс называется сверхспирализацией и происходит с помощью специального белка гистона, на который как на катушку наматывается цепочка.

Этот процесс сокращает длину молекулы еще в 25-30 раз. Подвергаясь еще нескольким уровням упаковки, все больше и больше уплотняясь, одна молекула ДНК совместно со вспомогательными белками формирует хромосому.

Вся информация, которая касается формы, вида и особенностей функционирования нашего организма определяется набором генов. Ген - это строго определенный участок молекулы ДНК. Он состоит из неизменной последовательности нуклеотидов. Более того, ген жестко определен не только составом, но и своим положением относительно других участков цепи.

Рибонуклеиновая кислота и ее роль в синтезе белка

Помимо ДНК существуют другие виды нуклеиновых кислот – матричная, транспортная и рибосомная РНК (рибонуклеиновая кислота). Цепи РНК намного меньше и короче, благодаря этому они способны проникать сквозь мембрану ядра.

Молекула РНК также является биополимером. Ее структурные фрагменты подобны тем, что входят в состав ДНК за небольшим исключением сахарида (рибозы вместо дезоксирибозы). Азотистых оснований четыре вида: знакомые нам А, Г, Ц и урацил (У) вместо тимина. На картинке выше все это наглядно показано.

Макромолекула ДНК способна передать информацию РНК в раскрученном виде. Раскручивание спирали происходит с помощью специального фермента, который разделяет двойную спираль на отдельные цепочки – как расходятся половинки замка-молнии.

В это же время, параллельно цепи ДНК создается комплементарная цепь РНК. Скопировав информацию и попав из ядра в среду клетки, цепочка РНК инициирует процессы синтеза закодированного геном белка. Синтез протеинов протекает в особых органеллах клетки - рибосомах.

Рибосома по мере прочтения цепочки определяет, в какой последовательности необходимо соединять аминокислоты, одна за другой - по мере считывания в РНК информации. Затем, синтезированная цепочка аминокислот принимает определенную 3D форму.

Эта объемная структурная молекула и является протеином, способным выполнять закодированные функции ферментов, гормонов, рецепторов и строительного материала.

Выводы

Для любого живого существа именно белок (протеин), является конечным продуктом каждого гена. Именно протеины определяют все то разнообразие форм, свойств и качеств, которые зашифрованы в наших клетках.

Уважаемые читатели блога , а вы знаете где находится ДНК , оставляйте комментарии или отзывы что вы хотели узнать. Кому то это очень пригодиться!

Нуклеотидный состав, т.е. набор и соотношение нуклеотидных компонентов, служит очень важной характеристикой нуклеиновых кислот. Один из основных путей установления состава нуклеиновых кислот основан на исследовании продуктов их гидролитического расщепления. Поскольку межнуклеотидные связи в полинуклеотидах являются сложноэфирными, то полинуклеотидные цепи способны гидролизоваться как в кислой, так и щелочной среде.

Химический гидролиз ДНК почти не используется из-за осложнения его побочными процессами. Более предпочтителен ферментативный гидролиз ДНК под действием нуклеаз. Обычно для этой цели используют змеиный яд, в котором содержатся ферменты, расщепляющие сложноэфирную связь с фосфорной кислотой (фосфодиэстеразы и фосфомоноэстеразы). Нуклеазы проявляют специфичность по отношению к типу нуклеиновых кислот; их делят на рибонуклеазы и дезоксирибонуклезы.

Выделение и идентификацию компонентов нуклеиновых кислот производят с помощью физико-химических методов. Очень важную роль в разделении сложных смесей играют хроматографические методы. Пиримидиновые и пуриновые основания, обладающие вследствие ароматического характера заметным поглощением около 260 нм, обычно идентифицируют с помощью УФ-спектроскопии. Поскольку нуклеотиды имеют кислотный характер и способны находиться в ионизированном состоянии, то для их идентификации используют также электрофорез.

Наряду с определением нуклеотидного состава важнейшая задача состоит и в установлении нуклеотидной последовательности, т.е. порядка чередования нуклеотидных звеньев. Общий подход заключается в использовании блочного метода: сначала полинуклеотидную цепь направленно расщепляют на более мелкие блоки – олигомеры и определяют в них нуклеотидную последовательность. Такой анализ повторяют дважды, используя во второй раз такие расщепляющие агенты, которые делят цель на фрагменты в иных местах по сравнению с первым разом. Полинуклеотидную цепь расщепляют на довольно короткие фрагменты. Более длинные олигонуклеотиды пока еще трудно поддаются изучению.

Первичная структура нуклеиновых кислот определяется природой и последовательностью нуклеотидных звеньев, связанных сложноэфирными связями между пентозами и фосфатными группами (рис 13).

Рис. 13. Первичная структура участка цепи нуклеиновых кислот

В составе молекулы ДНК выделено значительно большее число нуклеотидных остатков, чем в молекуле РНК. Молекулярная мас­са ДНК порядка 10 млн; ДНК в условиях клетки нерастворима. Длина молекул ДНК человека состав­ляет примерно 3 - 5 см; молекула РНК значительно короче - менее 0,01 см.

Вторичная структура нуклеиновых кислот. Согласно вторичной структуре полинуклеотидная цепь ДНК представляет собой двойную спираль, в которой пуриновые и пиримидиновые основания направлены внутрь. Между пуриновым основаниями одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи имеются водородные связи, стабилизирующие такую структуру. Основания, образующие пары, связанные водородными связями,называются комплементарными . В ДНК комплементарными будут: аденин – тимин, образующие между собой две водородные связи, и гуанин – цитозин, связанные тремя водородными связями (рис 14). Это означает, что пуриновым основаниям аденину и гуанину в одной цепи будут соответствовать пиримидиновые основания тимин и цитозин в другой цепи. Полинуклеотидные цепи, образующие двойную спираль, не идентичны, но комплементарны между собой.

Рис. 14. Водородные связи в паре оснований гуанин -цитозин (а), аденин – тимин (б)

Макромолекулы ДНК связаны между собой попарно при помощи водородных связей в виде двойной спирали постоян­ного диаметра (рис. 15). Остатки нуклеи­новых оснований направлены внутрь спи­рали, диаметр которой равен примерно 2 нм.

На один виток спирали приходится 10 пар оснований. Для обеспечения наи­большей устойчивости этой структуры во­дородных связей должно быть максималь­но много. Только при выполнении это­го условия обеспечивается экспериментально доказанное постоянство суммарных размеров боковых групп и неизменность диаметра двойной спирали на всем ее протяже­нии. В этой взаимной обусловленности последовательности звень­ев в обеих цепях заключается принцип комплементарности.

Комплементарность цепей и последовательность звеньев со­ставляют химическую основу важнейших функций нуклеиновых кислот: ДНК - хранение и передача наследственной информа­ции, а РНК - непосредственное участие в биосинтезе белка. Мо­лекулярная масса ДНК варьирует от нескольких миллионов до десятка миллиардов, у РНК - от десятка тысяч до нескольких миллионов.

Комплементарность оснований лежит в основе закономерностей, сформулированных Э. Чаргаффом, которым подчиняется нуклеотидный состав ДНК различного происхождения.

Правила Чаргаффа:

1) количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых оснований, т.е. (А+Г)=(Ц+Т).

2) Количество аденина равно количеству тимина (А=Т); аналогично количество гуанина равно количеству цитозина (Г=Ц).

3) Количество оснований, содержащих аминогруппу в положении 4 пиримидинового и положении 6 пуринового ядра, равно количеству оснований, содержащих в этих же положениях оксогруппу. Это означает, что А+Ц=Г+Т.

Для РНК правила Чаргаффа либо не выполняются, либо выполняются с некоторым приближением. Это обусловлено тем, что в составе РНК содержится много минорных оснований.

Сравнение макромолекулы ДНК с винтовой лестницей наводит на мысль об ее хиральности. Действительно, природные ДНК обладают оптической активностью. В то же время смеси нуклеотидов, составляющих ДНК, а также разупорядоченные полинуклеотические цепи оптически неактивны. Это свидетельствует о том, что оптическая активность природных ДНК связана с хиральностью их вторичной структуры.

Каркас спирали образован чередующимися углеводными и фосфатными остатками. Окружающая водная среда контактирует с гидрофильной частью спирали, а внутренняя часть спирали (основания) с водой не контактирует.

Молекула ДНК, в отличие от молекулы РНК, в большинстве случаев состоит из двух комплементарных взаимозакрученных цепей. В зависимости от длины витка и угла спирали, а также ряда других ее геометрических параметров, различают, более де­сяти разнообразных упорядоченных спиральных структур ДНК. В стабилизации этих структур наряду с водородными связями, действующими поперек спирали, большую роль играют межмо­лекулярные взаимодействия, направленные вдоль спирали между соседними пространственно сближенными азотистыми основа­ниями. Поскольку эти взаимодействия направлены вдоль стоп­ки азотистых оснований молекулы ДНК, их называют стэкинг-взаимодействиями. Таким образом, взаимодействия азотистых оснований между собой скрепляют двойную спираль молекулы ДНК и вдоль, и поперек ее оси.

Сильное стэкинг-взаимодействие всегда усиливает водород­ные связи между основаниями, способствуя уплотнению спира­ли. Вследствие этого молекулы воды из окружающего раствора связываются в основном с пентозофосфатным остовом ДНК, по­лярные группы которого находятся на поверхности спирали. При ослаблении стэкинг-взаимодействия молекулы воды, про­никая внутрь спирали, конкурентно взаимодействуют с поляр­ными группами оснований, инициируют дестабилизацию и спо­собствуют дальнейшему распаду двойной спирали. Все это сви­детельствует о динамичности вторичной структуры ДНК под воздействием компонентов окружающего раствора. Двойная спираль характерна для большинства молекул ДНК. Однако ДНК может иметь и другие формы. В некоторых вирусах содержится одноцепочечная ДНК, встречаются также кольцевые формы.

Рис. 16. Вторичная структура молекулы РНК

Третичная структура нуклеиновых кислот. Двойная спираль молекул ДНК существует в виде линейной, кольцевой, суперкольцевой и компактных клубковых форм. Между этими формами совершаются взаимные переходы при действии особой группы ферментов – топоизомераз, изменяющих пространственную структуру (рис 17).

Рис. 17. Третичная структура молекулы ДНК:

а -линейная, б - кольцевая, в - суперкольцевая, г - компактный клубок

Третичная структура многих молекул РНК пока еще требует окончательного выяснения, но уже установлено, что она зависит не только от первичной и вторичной структуры, но и от состава окружающего раствора.

Каждый вид имеет свой специфический нуклеотидный состав ДНК. 

    Ларсон и соавторы в аналитических опытах на микроколонке (0,15 X 10 см) исследовали оптимальные условия для фракционирования рестриктов ДНК в системе ХОФ-5 при среднем давлении (33 атм) и скорости элюции 13 мл/ч. Наилучшее разделение 17 фрагментов размерами от 43 до 850 пар оснований получалось у них при использовании очень пологого линейного градиента (0,55-0,75 М K I) объемом 40 мл (220 Fj) в нейтральном буфере при температуре 43°. Повышение температуры , по их данным, затрудняет элюцию ДНК и растягивает ее профиль. Удается разделить фрагменты длиной 98 и 102 пары оснований , чего далеко не всегда можно добиться с помощью электрофореза. Длина липких концов рестриктов и их состав влияют на разделение, равно как и нуклеотидный состав ДНК и даже последовательность оснований . Подчеркивается нео - 

В связи с тем что на протяжении последнего десятилетия появились в литературе предложения использовать для классификации бактерий соотношение нуклеотидов в составе ДНК отдельных видов микробов , следует кратко остановиться на этом вопросе. Нуклеотидный состав ДНК в значительной степени зависит от систематического положения организма. В лаборатории Чаргаффа установлена видовая специфичность 

Промывку повторяют через 5 минут тем же объемом фосфатного буфера . Такими двумя промывками удаляется 90% ДНК, которая может быть элюирована при заданной температуре. Затем цикл повтор-яют при более высокой температуре . В полученных фракциях может быть определен нуклеотидный состав. 

Нуклеотидный состав является одной из важнейших характеристик НК, которая может дать представление о природе, свойствах, генезисе и функциях РНК и ДНК. 

Нуклеотидный состав РНК обычно определяют после щелочного гидролиза препарата, дающего смесь свободных рибонуклеотидов. О нуклеотидном составе ДНК судят по соотношению азотистых оснований , образующихся при глубоком кислотном гидролизе препарата. 

    Кроме того, нуклеотидный состав ДНК может быть определен по Делю . Очищенную ДНК растворяют в 0,1 н. СНзСООН (25-50 т/мл). Измеряют оптическую плотность раствора при 260 и 280 ммк против 0,1 и. СНзСООН и содержание ГЦ-пар в молекуле ДНК рассчитывают по эмпирической формуле 

ДНК разных видов имеет различный нуклеотидный состав 

Сразу же после появления в 1953 г. гипотезы Уотсона и Крика было высказано предположение, что рибосомная РНК (рРНК), на долю которой в некоторых клетках приходится до 90% общего количества РНК, является переносчиком генетической информации из ядер в цитоплазму. Однако к 1960 г. было показано, что это предположение цеправильно. Так, в частности, несмотря на значительные различия нуклеотидного состава ДНК, размер и нуклеотидный состав РНК в рибосомах различных бактерий оказались весьма близкими (гл. 2, разд. Г, 8) . Кроме того, к этому времени стало ясно, что перенос информации осуществляется при помощи относительно нестабильной, короткоживущей формы РНК, тогда как рибосомная РНК оказалась очень стабильной . 

Диапазон изменений нуклеотидного состава ДНК на удивление широк. Суммарное процентное содержание цитозина и гуанина (G -содержа-ние) в различных бактериях меняется от 22 до 74%. (G -содержание в ДНК Е. oli равно 51,7%). Для эукариот этот диапазон более узок (от 28 до 58%). Тот факт, что у бактериальных ДНК нуклеотидный состав меняется в гораздо более широких пределах, чем у высших организмов, удивления не вызывает. Прокариоты существуют на Земле почти столько же миллионов лет, сколько и мы. Но из-за их более простой структуры и высокой скорости деления природа совершила над их генетическим материалом значительно больше экспериментов и внесла в него значительно больше изменений, чем в наш. 

Важный шаг на пути создания естественной систематики прокариот связан с успехами молекулярной биологии . В 60-х гг. XX в. было установлено, что все свойства организма определяются уникальными химическими молекулами - ДНК, поэтому бактерии могут быть классифицированы путем сравнения их геномов. По такому признаку, как генетический материал , оказалось возможным на основании выявления степени сходства делать вывод о степени родства между организмами. Первоначально для таксономических целей сравнивали молярное содержание суммы гуанина и цитозина (ГЦ) в процентах от общего количества оснований ДНК у разных объектов. Этот показатель у прокариот колеблется от 25 до 75 % . Однако ГЦ-показатель дает возможность только для фубого сравнения геномов. Если организмы имеют одинаковый нуклеотидный состав ДНК, возможно и сходство и различие между ними, поскольку генетическое кодирование основано не только на определенном содержании оснований в единице кодирования (триплете), но и на их взаимном расположении. 

На примере 1-5 установлено, что нуклеотидный состав влияет на интенсивность флуоресценции интеркалирующего красителя этидийбромида . Так, при равных величинах оптической плотности растворов бедные 1 уанином олигонуклеотиды окрашиваются этидийбромидом намного хуже. По-видимому, наличие гуанина влияет на интеркалирующую способность красителя. Все синтезированные олигонуклеотиды использовались для амплификации соответствующих участков ДНК-матриц. 

Независимо Э. Волкин и Ф. Астрачан (1956) изучали синтез РНК в бактериях, зараженных ДНК-содержащим бактериофагом Т2. После заражения бактерии перестают синтезировать свои белки, и весь белковый синтез клетки переключается на продукцию белков фага . Оказалось, что основная часть РНК клетки-хозяина при этом/не изменяется, но в клетке начинается продукция небольшой фр ции метаболически нестабильной (короткоживущей) РНК, нуклеотидный состав которой подобен составу ДНК фага. 

В девятом издании Определителя бактерий Берги все обнаруженные организмы, отнесенные в царство Prokaryotae, разделены на 33 группы. Признаки, по которым осуществляется разделение на группы, как правило, относятся к категории легко определяемых и вынесены в названия групп , например грамотрицательные аэробные палочки и кокки (группа 4), анаэробные грамотрицательные кокки (группа 8), грамположительные палочки и кокки, образующие эндоспоры (группа 13), скользящие бактерии , образующие плодовые тела (группа 24). Основная идея классификации по Берги - легкость идентификации бактерий. Для осуществления этого используют совокупность признаков морфологических (форма тела наличие или отсутствие жгутиков капсулы способность к спорообразованию особенности внутриклеточного строения окрашивание по Граму), культуральных (признаки, выявляемые при культивировании в лаборатории чистой культуры), физиолого-биохимических (способы получения энергии потребности в питательных веществах отношение к факторам внешней среды нуклеотидный состав и последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК наличие и характер минорных оснований в ДНК нуклеотидный состав рибосомальной РНК последовательность аминокислот в ферментных белках с аналогичными функциями). 

Было выяснено, что нуклеотидный состав ДНК настолько типичен для каждого вида бактерий , что при изменчивости бактерий по типу расщепления на 5- и Н-варианты, они имеют идентичный состав ДНК. Установлено также, что бактерии, относящиеся к разным систематическим группам , имеют сходный нуклеотидный состав ДНК (кишечная палочка и некоторые коринебактерии 50-52% ГЦ псевдомонасы и микобактерии 57- 70% ГЦ). Культуры бактерий с одинаковым составом ДНК не обязательно родственны. Существует известная корреляционная связь между нуклеотидным составом и антигенной структурой . Пока не удалось установить связи между составом ДНК и принадлежностью бактерий к грамположительной группе. Близкородственные бактерии патогенного и сапрофитного видов, гемолитические и негемолитические оказались показателями специфичности ДНК. 

Преобладающая часть молекулы ДНК представлена цистро-нами м-РНК. Этим объясняется то обстоятельство, что суммарный нуклеотидный состав м-РНК ткани обычно близок к нуклеотидному составу тотальной ДНК. 

    Щелочной гидролиз РНК. Нуклеотидный состав РНК можно определять без предварительного извлечения НК из растений и после их извлечения. Если определение нуклеотидного состава ведется без извлечения НК из

Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) - это линейные (или циклические), неразветвленные полидезоксирибонуклеотиды. Структурной единицей ДНК являются дезоксирибонуклеотиды, а именно дезоксирибонуклеозидмонофосфаты (ДНМФ).

ДНМФ - это соединения, состоящие из пуринового или пиримидинового азотистого основания, дезоксирибозы и одного остатка фосфорной кислоты.

В качестве пуриновых оснований в состав ДНМФ входит аденин и, гуанин, пиримидиновые основания представлены тимином и цитозином. Важной особенностью гидроксипроизводных пурина и пиримидина является возможность их таутомерных (лактим-лактамных) превращений. В составе ДНК все гидроксипроизводные азотистые основания присутствуют в форме лактамов (кето-форме).

Дезокрибонуклеозидмонофосфаты.

Дезоксиаденозинмонофосфат Дизоксигуанозинмонофосфат

дАМФ дГМФ

Дезоксицитидинмонофосфат Дезокситимидинмонофосфат

дЦМФ дТМФ

В составе ДНК, наряду с указанными ДНМФ, в небольших количествах встречаются ДНМФ с минорными (экзотическими) основаниями. Минорные азотистые основания - это метилированные, гидроксиметилированные или глюкозилированные основания, образующиеся в результате модификации главных оснований в составе полидезоксирибонуклеотида в ходе процессинга (созревания) ДНК. Примерами минорных азотистых оснований являются:

пуриновые основания пиримидиновые основания

N 6 -метиладенин 5-митилцитозин

1(или 3, или7)-метилгуанин 5-гидроксиметилцитозин уранил

N 2 -метил (или диметил)-гуанин гидроксиметилурацил

Для изучения нуклеотидного состава ДНК используют гидролиз ДНК с последующей хроматографией и качественным и количественным определением азотистых оснований. Наряду с классическими методами анализа нуклеотидный состав ДНК можно определить также по температуре плавления ДНК (содержание ГЦ-пар прямо пропорционально температуре плавления) и по плавучей плотности ДНК при ее ультрацентрифугировании в градиенте плотности хлористого цезия (содержание ГЦ-пар прямо пропорционально плавучей плотности).

При анализе нуклеотидного состава ДНК разных видов организмов был установлен ряд закономерностей, характеризующих количественное соотношение азотистых оснований (правила Чаргаффа).

1. Молярное содержание аденина равно молярному содержанию тимина, а молярное содержание гуанина равно молярному содержанию цитозина.

А = Т, или А: Т = 1.

Г = Ц, или Г: Ц = 1.

2. Сумма пуриновых оснований равна сумме пиримидиновых оснований.

А + Г = Т + Ц, или (А+Г) : (Т+Ц) = 1.

пурины = пиримидины.

3. Нуклеотидный состав ДНК разных клеток многоклеточного организма одинаков.

4. Каждый биологический вид характеризуется постоянным специфическим нуклеотидным составом ДНК, что находит свое отражение в коэффициенте специфичности.

К = -----------;

В зависимости от преобладания АТ или ГЦ различают соответственно АТ- и ГЦ-типы ДНК. АТ-тип характерен, в частности, для хордовых и безпозвоночных животных, высших растений, дрожжей. У разных видов бактерий наблюдается разброс нуклеотидного состава от сильновыраженного ГЦ-типа до АТ-типа. На основании коэффициента специфичности разработаны принципы геносистематики объектов растительного и животного мира.

3.3 ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА ДНК .

Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) представляют собой линейные

(или циклические) полидезоксирибонуклеотиды.

Первичная структура ДНК - это последовательность чередования остатков дезоксирибонуклеозидмонофосфатов (ДНМФ) в полидезоксирибонуклеотидной цепи.

Первичная структура ДНК является ковалентной структурой, поскольку остатки ДНМФ в полидезоксирибонуклеотидной цепи соединены друг с другом 3", 5"-фосфодиэфирными связями.

Скелет (хребет, остов) полидезоксирибонуклеотида состоит из монотонно чередующихся остатков дезоксирибозы и фосфатных групп, присоединенных к остову на равных расстояниях друг от друга. Сахарофосфатный остов ДНК, обладая большим отрицательным зарядом, представляет собой сильно полярную часть молекулы, тогда как азотистые основания являются неполярными, гидрофобными компонентами.

Полидезоксирибонуклеотидная цепь обладает векторностью, она имеет направление от 5"-конца (начало цепи) к 3"-концу (конец цепи), т.е. 5"---->3". 5"-конец (фосфатный конец) и 3"-конец (гидроксильный конец) - это концы, на которых от межнуклеотидной связи свободны соответственно 5"- и 3"-атомы дезоксирибозы. Векторность обусловлена направлением сборки полидезоксирибонуклеотидной цепи.

Коэффициент поликонденсации ДНК варьирует от 0,5 . 10 4 у вирусов до 10 8 у ядерных ДНК высших эукариот. В соответствии с этим молекулярная масса ДНК также варьирует в широком диапазоне, достигая у высших эукариот нескольких десятков миллиардов дальтон. В то же время, количество кодируемых белков у прокариот и эукариот отличается не более чем на порядок. Это объясняется как сложной организацией генов, так и наличием повторяющихся участков ДНК у эукариот.

У прокариот ДНК представлена одной молекулой. По мере усложнения видов величина и число различных ДНК увеличивается. У эукариот число ДНК равно числу хромосом. Таким образом, в клетках человека содержится 46 различных ДНК.

Каждая ДНК обладает уникальной первичной структурой, причем их первичная структура во всех клетках многоклеточного организма, по-видимому, совершенно одинакова.

Нуклеотидная последовательность ДНК обозначается, начиная с 5"-конца, с использованием однобуквенных символов А, Г, Ц и Т - для нуклеозидов

(нуклеотидов) и ф - для фосфатной группы, например: фАфТфГфГфЦ или фАТГГЦ.

Сложность исследования первичной структуры ДНК обусловлена очень большой длиной полидезоксирибонуклеотидной цепи и наличием всего лишь четырех видов нуклеотидов. Для расшифровки первичной структуры ДНК ранее использовались косвенные методы:

по сблоченности пуриновых и пиримидиновых нуклеотидных звеньев выяснение числа и структуры отдельных фракций нуклеотидов (т.н. изоплитов);

по кинетике реассоциации ДНК (наличие повторяющихся последовательностей);

по распределению минорных оснований;

по обнаружению в ДНК и определению последовательности палиндромов.

В настоящее время широкое распространение получили прямые методы, которые используются в следующей последовательности:

расщепление различными рестриктазами с образованием перекрывающихся последовательностей;

электрофоретическое разделение фрагментов ДНК в полиакриламидном геле в соответствии с числом содержащихся в них нуклеотидов;

расшифровка последовательности нуклеотидов в фрагментах;

установление порядка расположения нуклеотидных фрагментов по перекрывающимся участкам.

ОБРАЗОВАНИЕ ПОЛИДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕОТИДОВ.

Рис. Фрагмент полидезоксирибонуклеоидной цепи