НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Живые организмы содержат два вида нуклеиновых кислот: рибонуклеиновую кислоту (РНК) и дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК). Сначала опишем ДНК.

ДНК

Подобно белкам, молекулы ДНК построены в виде цепи более простых молекул. Фактически это двойная цепь, но сначала рассмотрим структуру простой одинарной цепи, называемой нитью. Несущая структура нити представлена основной цепью, состоящей из одинаковых повторных звеньев. Мономерное звено образовано молекулой сахара, а именно 2'-дезоксирибозой, с которой соединен фосфатный остаток. В молекулу сахара входит пять углеродных атомов, обозначаемых, соответственно, цифрами с 1' по 5' (см. рис. 1.4).

Связи, образующие основную цепь, находятся между З7-углеродным атомом одного звена и остатком фосфата, а также между этим остатком и 57-углеродным атомом следующего звена. По этой причине молекулы ДНК имеют условную ориентацию; также принято считать 57-конец началом нити, а З'-конец — ее окончанием. Когда мы видим изображение последовательности нуклеотидов одинарной цепи ДНК на технической бумаге, в книге или файле базы данных последовательностей, она всегда записана в этом каноническом направлении 5' —> 3', если не оговорено противное.

К l'-углеродному атому каждого звена основной цепи присоединены другие молекулы, называемые основаниями[1]. В природных биополимерах встречаются азотистые основания четырех видов: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) и тимин (Т). На рис. 1.5 представлены структурные формулы

молекул этих оснований, а на рис. 1.6 изображено схематичное представление одной нити ДНК, которую мы только что рассмотрели. Основания А и G входят в группу веществ, названных пуринами, тогда как основания С и Т относятся к пиримидинам.

Когда мы рассматриваем фрагмент молекулы ДНК, состоящий из моносахарида, фосфата и азотистого основания, в качестве мономерного звена, мы называем его нуклеотидом. Таким образом, хотя основания и нуклеотиды — не одно и то же, мы можем говорить, что молекула ДНК содержит, например, 200 оснований или 200 нуклеотидов. Молекулу ДНК, включающую в себя несколько (десятки) нуклеотидов, называют олигонуклеотидом. Природные молекулы ДНК очень длинные — намного длиннее молекул-полипептидов. В клетках человека находятся молекулы ДНК, состоящие из сотен миллионов нуклеотидов.

Как было упомянуто выше, молекулы ДНК образованы двумя нитями. Две нити связаны вместе и закручены в виде спиральной структуры — знаменитой двойной спирали, открытой Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком в 1953 году. Но каким образом две нити удерживаются вместе? Такая связь возможна благодаря тому, что каждое азотистое основание, расположенное в одной нити, образует пару (связывается) с некоторым основанием другой нити. Основание А всегда взаимодействует с основанием Т, а основание С — только с G, как показано на рис. 1.5 и 1.7. Говорят, что основания А и Т являются комплементами друг друга и образуют пару комплементарных оснований. В свою очередь, С и G — другая пара комплементарных оснований. Данные пары известны как пары оснований Уотсона-Крика. Пара оснований (сокращенно — по) является едини-

II

НО-5'-II

основание

I I но он

2'-дсзоксирибоза

рибоза

Рис. 1.4. Сахара, входящие в состав нуклеиновых кислот. Цифры с 1' по 5х обозначают углеродные атомы. Единственная разница между двумя сахарами заключается в наличии или отсутствии атома кислорода при углеродном атоме 2х. Рибоза входит в состав РНК, а 2х-дезоксирибоза — в состав ДНК

Азотистые основания, входящие в состав ДНК. Точечными линиями отмечены связи, которые могут образовывать аденин с тимином или гуанин с цитозином

Рис. 1.5. Азотистые основания, входящие в состав ДНК. Точечными линиями отмечены связи, которые могут образовывать аденин с тимином или гуанин с цитозином

Схематическое представление одной нити ДНК

Рис. 1.6. Схематическое представление одной нити ДНК: Ф — фосфат; М — моносахарид; G, А, С, Т — соответственно, гуанин, аденин, цитозин и тимин

цей длины, наиболее удобной при обозначении длины молекул ДНК. Так что мы говорим, что длина фрагмента ДНК равна, например, 100 000 по или 100 кпо[2].

В этой книге мы будем, в основном, рассматривать последовательность

ДНК как строку знаков, где каждый знак обозначает соответствующее основание. На рис. 1.8 показано такое «строчное представление» двойной цепи ДНК, при котором одна строка помещается над другой. Обратите внимание на парность оснований. Даже при том, что обе нити связаны между собой, каждая сохраняет свою собственную ориентацию и эти ориентации взаимно противоположны. Этот факт проиллюстрирован на рис. 1.8., где хорошо видно, что З'-конец одной нити соответствует б'-концу другой нити. Это свойство получило название антипараллелъности нитей. Фундаментальное следствие подобной структуры заключается в том, что, определив последовательность одной нити, возможно восстановить последовательность другой. Действие, которое позволяет нам сделать это, называют обратной комплементацией.

Схематическое представление двойной цепи ДНК

Рис. 1.7. Схематическое представление двойной цепи ДНК

Например, задана последовательность s = AGACGT в каноническом направлении, и мы получаем ее обратный комплемент следующим образом. Сначала мы записываем последовательность s в обратном порядке, получая обратную последовательность s' = TGCAGA, а затем заменяем каждое основание его комплементом и получаем обратную комплементарную последовательность s - ACGTCT. (Для обозначения обратного комплемента последовательности s мы используем знак черточки над $.) Именно эти действия

5' ••• TACTGAA ••• 3' 3' ••• ATGACTT ••• 5'

Рис. 1.8. Строчное представление двойной цепи ДНК выполняет клеточный механизм, обеспечивающий репликацию ДНК в клетке, что позволяет организму, начавшему жизнь с одной-единственной клетки, последовательно превратиться в систему, насчитывающую миллиарды клеток, где каждая клетка содержит копии молекул ДНК первоначальной клетки.

В организмах, построенных из безъядерных клеток, ДНК свободно плавает в цитоплазме. У высших организмов ДНК находится в клеточном ядре, а также в особых органеллах клетки — митохондриях (животные и растения) и хлоропластах (только растения).

РНК

Молекулы РНК во многом подобны молекулам ДНК, но имеют некоторые отличия состава и структуры:

  • • В РНК моносахарид представлен рибозой вместо 2'-дезоксирибозы (см. рис 1.4).
  • • В РНК вместо тимина (Т) присутствует урацил (U). Подобно тимину, урацил связывается с аденином.
  • • РНК не образует двойную спираль. Иногда мы наблюдаем гибридные ДНК-РНК спирали; кроме того, благодаря комплементарности оснований отдельные части молекулы РНК могут связываться с другими частями той же молекулы. Трехмерная структура РНК представлена гораздо большим числом форм, чем таковая у ДНК.

Еще одно различие между ДНК и РНК заключается в том, что по существу ДНК выполняет лишь одну функцию (кодирование информации), тогда как, как мы вскоре увидим, в клетке имеются различные виды РНК, выполняющие разнообразные функции.

  • [1] Здесь и далее — азотистые основания. — Прим, перев.
  • [2] Очевидно, что в каждой молекуле ДНК число пар азотистых оснований равно числу пар нуклеотидов. Английская единица Ьр (по) подчеркивает, что пары образуют именно комплементарные основания; напротив, принятая в российской научной литературе единица п. н. показывает, что общая длина полинуклеотида складывается из сумм его мономерных звеньев — нуклеотидов. Таким образом, Ьр = п. н.; kbp = т. п. н.; mbp = м. п. н. — Прим, перев.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >