Нуклеиновые кислоты. ДНК. РНК. Нуклеотиды. Строение нуклеотидов

Нуклеиновые кислоты. ДНК. РНК. Нуклеотиды. Строение нуклеотидов.

 Нуклеиновые кислоты,  как и белки, необходимы для  жизни. Они представляют собой  генетический материал всех живых  организмов вплоть до самых  простых вирусов. Название «нуклеиновые  кислоты» отражает тот факт, что  локализуются они главным образом  в ядре (nucleus — ядро). При специфическом окрашивании на нуклеиновые кислоты ядра бывают очень хорошо видны в световом микроскопе. Выяснение структуры ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) — одного из двух существующих типов нуклеиновых кислот — открыло новую эпоху в биологии, так как позволило, наконец, понять, каким образом живые организмы хранят информацию, необходимую для регулирования их жизнедеятельности и каким образом передают эту информацию своему потомству. Выше мы уже отметили, что нуклеиновые кислоты состоят из мономерных единиц, называемых нуклеотидами. Из нуклеотидов строятся чрезвычайно длинные молекулы — полинуклеотиды. Чтобы понять структуру полинуклеотидов, необходимо, следовательно, сначала ознакомиться с тем, как построены нуклеотиды.

Нуклеотиды. Строение нуклеотидов

Молекула нуклеотида состоит  из трех частей — пятиуглеродного сахара, азотистого основания и фосфорной кислоты.

 Сахар, входящий в  состав нуклеотида, содержит пять  углеродных атомов, т. е. представляет  собой пентозу. В зависимости  от вида пентозы, присутствующей  в нуклеотиде, различают два типа  нуклеиновых кислот — рибонуклеиновые кислоты (РНК), которые содержат рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие дезоксирибозу. В дезоксирибозе — ОН-группа при 2-м атоме углерода заменена на атом Н, т. е. в ней на один атом кислорода меньше, чем в рибозе. В обоих типах нуклеиновых кислот содержатся основания четырех разных видов: два из них относятся к классу пуринов и два — к классу пиримидинов. Основной характер этим соединениям придает включенный в кольцо азот. К числу пуринов относятся аденин (А) и гуанин (Г), а к числу пиримидинов — цитозин (Ц) и тимин (Т) или урацил (У) (соответственно в ДНК или РНК). Тимин химически очень близок к урацилу (он представляет собой 5-метилурацил, т. е. урацил, в котором у 5-го углеродного атома стоит метильная группа). В молекуле пуринов имеется два кольца, а в молекуле пиримидинов — одно. Основания принято обозначать первой буквой их названия: А, Г, Т, У и Ц.

 

 Нуклеиновые кислоты  являются кислотами потому, что  в их молекуле содержится фосфорная  кислота. На рисунке показано, как сахар, основание и фосфорная  кислота, объединяясь, образуют  молекулу нуклеотида. Соединение  сахара с основанием происходит  с выделением молекулы воды, т.  е. представляет собой реакцию  конденсации. Для образования  нуклеотида требуется еще одна  реакция конденсации — между  сахаром и фосфорной кислотой. Разные нуклеотиды отличаются  друг от друга природой Сахаров  и оснований, которые входят  в их состав. Роль нуклеотидов  в организме не ограничичается тем, что они служат строительными блоками нуклеиновых кислот; некоторые важные коферменты также представляют собой нуклеотиды. Таковы, например, аденозинтрифосфат (АТФ), циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), кофермент А, никотинамидаденинди-нуклеотид (НАД), никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ) и флавинадениндинуклеотид (ФАД).

Динуклеотиды. Структура ДНК. Модель ДНК.

Нуклеиновые кислоты, подобно  белкам, обладают первичной структурой (под которой подразумевается  их нуклеотидная последовательность) и трехмерной структурой. Интерес  к структуре ДНК усилился, когда  в начале XX в. возникло предположение, что ДНК, возможно, представляет собой генетический материал.

 В начале пятидесятых годов американский химик лауреат Нобелевской премии Лайнус Полинг (Linus Pouling), уже изучивший к тому времени а-спиральную структуру, характерную для многих фибриллярных белков, обратился к исследованию структуры ДНК, которая, по имеющимся в то время сведениям, также представлялась фибриллярной молекулой.

 Одновременно в Королевском  колледже в Лондоне Морис Уилкинс и Розалинда Франклин (Maurice Wilkins, Rosalind Franklin) пытались решить ту же проблему методом рентгеноструктурного анализа. Их исседования требовали долгой и трудоемкой работы по приготовлению чистых препаратов солей ДНК, для которых удавалось получать сложные дифракционные картины. С помощью этих картин можно было, однако, выявить лишь общую структуру молекулы ДНК, не столь детализованную, как та, которую давали возможность получить чистые кристаллы белка.

 

 Тем временем Джеймс  Уотсон и Фрэнсис Крик (James Watson, Francis Crick) в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета избрали иной подход, который в конечном счете и обеспечил успешное решение проблемы. Используя все физические и химические данные, какие оказались в их распоряжении, Уотсон и Крик стали строить пространственные модели ДНК в надежде на то, что рано или поздно им удастся получить достаточно убедительную структуру, согласующуюся со всеми этими данными. История их поисков увлекательно описана Уотсоном в его книге «Двойная спираль».

 Два обстоятельства  оказались для Уотсона и Крика  решающими. Во-первых, они имели  возможность регулярно знакомиться  с результатами работ Уилкинса и, сопоставляя с его рентгенограммами свои модели, могли таким образом проверять эти модели. Рентгенограммы же Уилкинса убедительно свидетельствовали в пользу спиральной структуры с периодичностью 0,34 нм вдоль оси. Во-вторых, Уотсон и Крик отдавали себе отчет в важном значении закономерностей, касающихся соотношения различных оснований в ДНК. Обнаружил эти закономерности и сообщил о них в 1951 г. Эрвин Чаргафф (Erwin Chargaff).

 Это открытие, однако, при всей своей важности не  привлекло к себе должного  внимания. В табице мы приводим некоторые из данных Чаргаффа, дополнив их результатами более поздних исследований.

 

 Уотсон и Крик задались  целью проверить предположение,  что молекула ДНК состоит из  двух спиральных полинуклеотидных  цепей, удерживаемых вместе благодаря  спариванию оснований, принадлежащих соседним цепям. Основания удерживаются вместе водородными связями.

 Как основания соединяются  в пары с помощью водородных  связей, показано на рисунке. Аденин спаривается с тимином, а гуанин — с цитозином; АТ-пара соединяется двумя водородными связями, а ГЦ-пара — тремя. Уотсон попытался представить себе такой порядок спаривания оснований и позже вспоминал об этом так: «От радости я почувствал себя на седьмом небе, ибо тут я уловил возможный ответ на мучившую нас загадку: почему число остатков пуринов в точности равно числу остатков пиримидинов?»1 Уотсон увидел, что при таком сочетании основания оказываются очень точно подогнанными друг к другу и что общий размер и форма двух этих пар оснований одинаковы, так как обе пары содержат по три кольца. Водородные связи при других сочетаниях оснований в принципе возможны, но они гораздо слабее. После того как все эти обстоятельства выяснились, можно было наконец приступить к созданию достоверной модели ДНК, той, которая изображена на рисунке.

Строение молекулы днк. Схема молекулы ДНК.

 Уотсон и Крик показали, что ДНК состоит из двух  полинуклеотидных цепей. Каждая  цепь закручена в спираль вправо, и обе они свиты вместе, т.  е. закручены вправо вокруг  одной и той же оси, образуя  двойную спираль. 

Цепи антипараллельны, т. е. направлены в противоположные  стороны. Каждая цепь днк состоит из сахарофосфатного остова, вдоль которого перпендикулярно длинной оси двойной спирали располагаются основания; находящиеся друг против друга основания двух противоположных цепей двойной спирали связаны между собой водородными связями.

 

 Сахарофосфатные остовы двух цепей двойной спирали хорошо видны на пространственной модели ДНК. Расстояние между сахарофосфатными остовами двух цепей постоянно и равно расстоянию, занимаемому парой оснований, т. е. одним пурином и одним пиримидином. Два пурина занимали бы слишком много места, а два пиримидина — слишком мало для того,чтобы заполнить промежутки между двумя цепями.

 Вдоль оси молекулы  соседние пары оснований располагаются  на расстоянии 0,34 нм одна от другой, чем и объясняется обнаруженная на рентгенограммах периодичность. Полный оборот спирали приходится на 3,4 нм, т. е. на 10 пар оснований. Никаких ограничений относительно последовательности нук-леотидов в одной цепи не существует, но в силу правила спаривания оснований эта последовательность в одной цепи определяет собой последовательность нуклеотидов в другой цепи. Поэтому мы говорим, что две цепи двойной спирали комплементарны друг другу.

 Уотсон и Крик опубликовали  сообщение о своей модели ДНК  в журнале «Nature» в 1953 г., а в 1962 г. они вместе с Морисом Уилкинсом были удостоены за эту работу Нобелевской премии. В том же году получили Нобелевскую примию Кендрью и Перуц за свои работы по определению трехмерной структуры белков, также выполненные методом рентгеноструктурного анализа. Розалинду Франклин, умершую от рака ранее присуждения этих премий, не включили в число лауреатов, поскольку Нобелевская премия посмертно не присуждается.

 

Для того чтобы признать предложенную структуру генетическим материалом, требовалось показать, что она  способна: 1) нести в себе закодированную информацию и 2) точно воспроизводиться (реплицироваться). Уотсон и Крик отдавали себе отчет в том, что их модель удовлетворяет этим требованиям. В  конце своей первой статьи они  сдержанно отметили: «От нашего внимания не ускользнуло, что постулированное  нами специфическое спаривание оснований  сразу же позволяет постулировать  и возможный механизм копирования  для генетического материала».

 Во второй статье, опубликованной  втом же 1953 г., они обсудили выводы, которые следовали из их модели, в генетическом плане. Это открытие, показавшее, сколь явно структура может быть связана с функцией уже на молекулярном уровне, дало мощный толчок развитию молекулярной биологии.

Пра́вила Ча́ргаффа

Пра́вила Ча́ргаффа — система эмпирически выявленных правил, описывающих количественные соотношения между различными типами азотистых оснований в ДНК. Были сформулированы в результате работы группы биохимика Эрвина Чаргаффа в 1949—1951 гг.

До работ группы Чаргаффа господствовала так называемая «тетрануклеотидная» теория, согласно которой ДНК состоит из повторяющихся блоков по четыре разных азотистых основания (аденин, тимин, гуанин и цитозин). Чаргаффу и сотрудникам удалось разделить нуклеотиды ДНК при помощи бумажной хроматографии и определить точные количественные соотношения нуклеотидов разных типов. Они значительно отличались от эквимолярных, которых можно было бы ожидать, если бы все четыре основания были представлены в равных пропорциях. Соотношения, выявленные Чаргаффом для аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц), оказались следующими:

1.Количество аденина равно количеству тимина, а гуанина — цитозину: А=Т, Г=Ц.

2.Количество пуринов равно количеству пиримидинов: А+Г=Т+Ц.

3.Количество оснований с аминогруппами в положении 6 равно количеству оснований с кетогруппами в положении 6: А+Ц=Г+Т.

Вместе с тем, соотношение (A+Т):(Г+Ц) может быть различным у ДНК разных видов. У одних преобладают пары АТ, в других — ГЦ.

Правила Чаргаффа, наряду с данными рентгеноструктурного анализа, сыграли решающую роль в расшифровке структуры ДНК Дж. Уотсоном и Фрэнсисом Криком.

Структура рнк. Определение биомолекул.

 РНК в отличие от  ДНК бывает по большей части  одноцепочечной. Две формы РНК — транспортная (тРНК) и рибосомная (рРНК) — обладают довольно сложной структурой. Существует и третья форма — это информационная, или матричная, РНК (мРНК). Все эти формы участвуют в синтезе белка, и мы рассмотрим их в статье.

 Определение биомолекул

 В этом разделе мы  опишем некоторые простые опыты,  с помощью которых можно определять  различные вещества, играющие в  клетках важную биологическую  роль. Существуют и более сложные  методы идентификации и разделения  клеточных компонентов. Первое  место среди них занимают хроматография  и электрофорез; их мы рассмотрим  в приложении.

Желательно сначала освоить  методику анализов, работая с чистыми  образцами веществ, подлежащих определению. Овладев методикой и научившись различать соответствующие изменения  окраски, можно затем приступить к исследованию различных тканей.

 Биохимику часто приходится  выявлять присутствие тех или  иных биомолекул или определять их количество в живых тканях, т. е. вести качественный или количественный анализ. Иногда эти определения можно выполнять непосредственно на самой ткани, но нередко им должен предшествовать тот или иной процесс экстракции или очистки.

Полезно потренироваться  на каких-либо обычных пищевых продуктах  или на растительном материале, определяя  в них те биомолекулы, о которых шла речь в опыте 3.1. Там, где это возможно, мы предлагаем процедуру экстрагирования, которая позволит использовать для анализа чистый бесцветный раствор. Усвоив смысл таких процедур, студент сможет при необходимости сам предложить аналогичные методики.

 

 

 Микроскопическое исследование тонких срезов ткани

 Метод пригоден для  знакомства с теми отложениями  запасных веществ, которые можно  видеть под микроскопом, например  с крахмальными зернами в клубне  картофеля.

 Микроскопическое исследование  срезов с соответствующим окрашиванием  или какой-либо иной химической  обработкой

 Метод пригоден для  выявления перечисленных ниже  веществ.

 Редуцирующие сахара. Поместить срез в несколько капель реактива Бенедикта и осторожно нагреть до кипения; при необходимости добавить воды, чтобы предотвратить высыхание.

Крахмал. Поместить в разбавленный раствор h/KI.

 Белок. Поместить срез в несколько капель реактива Миллона и осторожно нагреть до кипения; при необходимости добавить воды, чтобы предотвратить высыхание.

 Масла и жиры. Окрасить исследуемый материал, например семена, Суданом III, после чего промыть водой и(или) 70%-ным спиртом. Приготовить срезы и заключить в соответствующую среду.