Нуклеиновые кислоты

 

Фотографія об'ємної  моделі молекули ДНК представлена на рис. 67, А. На рис. 67, Б приведена схема розташування полінуклеотидних ланцюгів і характерні їх параметри, а на рис. 67, В – схема розташування комплементарних основ, що зв'язують водневими зв'язками полідезоксирибонуклеотидні ланцюги один з одним.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 67. Будова молекули ДНК:

А —  модель молекули ДНК:

темні і світлі ланцюжки атомів, що виділяються на рисунку, — обернений назовні пентозофосфатний ланцюг.

Всередину моделі, перпендикулярно її довгій осі, направлені пуринові і піримідинові основи, що з'єднуються водневими зв'язками: атоми, що належать основам (заштриховано криво), щільно заповнюють центральну частину моделі;

Б —  просторове розташування полідезоксирибонуклеотидних  ланцюгів в молекулі ДНК;

поперечні лінії  на схемі позначають площини, в яких розташовуються пари основ, що зв'язують ланцюги один з одним: 0,34 нм —  відстань між залишками сусідніх дезоксирибонуклеотидів; 1 нм — радіус молекули; 3,4 нм — крок подвійної спіралі;

В —  розташування комплементарних пуринових  і піримідинових основ в молекулі ДНК;

молекули дезоксирибози  представлені білими п'ятикутниками, обведеними подвійною лінією;

фосфатні групи — вигином подвійної лінії, що зв'язує залишки дезоксирибози;

від кожного  залишку вуглеводу відходять  основи у вигляді вкритих точковим штрихуванням шестикутників і п'ятикутників: короткі подвійні лінії, що з’єднують  заштриховані пуринові і піримідинові основи, представляють водневі зв'язки. Всі спіралі — правообертаючі

 

На рис. 67 представлені моделі так званої В-форми ДНК. Річ  у тому, що залежно від ряду умов ДНК існує у вигляді різноманітних впорядкованих волокнисто-кристалічних структур. Їх отримано більше десяти, чотири з них: А-, В-, С- і Т-форми ДНК — вивчені методом рентгеноструктурного аналізу.

При дотриманні загального плану будови молекули ДНК  у вигляді біспірального полідезоксирибонуклеотиду  вони відрізняються за рядом параметрів, властивих кожній з названих конформаційних модифікацій ДНК (таблиця. 20).

Найбільш сильна зміна конформації відбувається при перетворенні А-форми ДНК  на В-форму. Зокрема, при цьому різко  зміщується просторова структура β-D-2-дезоксирибози  у її складі, внаслідок чого кут нахилу площини основ до осі спіралі змінюється більш ніж на 20° (рис. 68).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У біологічному сенсі В-форма найбільш адекватна для реплікаційних процесів, А-форма — для процесу транскрипції, С-форма — для упаковки ДНК у складі надмолекулярних структур хроматину і деяких вірусів.

Таким чином, вторинна структура молекул ДНК пов'язана із здійсненням інформаційних процесів в живій природі, а саме:

• А-форма ДНК — з передачею інформації від ДНК до РНК,
• В-форма ДНК — з множенням кількості інформації,
• С-форма ДНК — із зберіганням інформації.

 

Таблиця 20. Характеристика деяких конформаційних станів ДНК

Показник	А-форма	В-форма	С-форма	Т-форма
Число пар нуклеотидних залишків на виток	11	10	9,3	8,0
Кут нахилу площин основ до осі спіралі, °	20	-2	—6	-6
Кут повороту основ  навколо осі спіралі, °	32,7	36	38,6	45,0
Відстань комплементарних пар від осі спіралі, нм	0,425	0,063	0,213	0,143
Відстань між  нуклеотидними залишками по висоті спіралі, нм	0,256	0,338	0,332	0,304
Кут між площинами  комплементарних основ, °	8	5	5	—

 

Два види сил утримують два полідезоксирибонуклеотидних ланцюги в біспіральній молекулі ДНК:

По-перше, це водневі зв'язки між комплементарними азотистими основами, спрямованими всередину подвійної спіралі ДНК (див. рис. 66). Утворюючи водневі зв'язки, основи знаходяться в площині, перпендикулярній подовжній осі В-форми ДНК, так що ці зв'язки діють у поперечному напрямі.

По-друге, це сили гідрофобних взаємодій між азотистими основами, зібраними в «стопку» уздовж молекули ДНК; при такій упаковці основ у водному середовищі виникають сили, що перешкоджають контактам неполярних (гідрофобних) основ з молекулами води, внаслідок чого основи зближуються, а стопкоподібна упаковка зміцнюється внаслідок їх міжплощинних взаємодій одна з одною. Їх називають тому стекінг-взаємодіями (тобто взаємодіями, спрямованими уздовж стопки основ і, в результаті, вздовж молекули ДНК).

Останнім часом  силам стекінг-взаємодії надають  істотніше, ніж раніше, значення в  підтримці вторинної структури  ДНК, а водневим зв'язкам між комплементарними парами основ визначають загалом  направляючу роль у взаємній орієнтації основ в процесі стекінг-взаємодії.

Дійсно, вклад  гідрофобних взаємодій в підтримку  вторинної структури біспіральних полінуклеотидів зростає при  заміні У на Т, тобто за рахунок  гідрофобного метильного радикалу, що додатково вводиться.

 

Вторинна структура  РНК.

РНК, що має вторинну структуру  побудована з одного ланцюга для  якого властива спіралізація. Полінуклеотидний ланцюг закручується сам на себе, утворюючи  водневі зв’язки між азотистими основами А = У, Г º Ц.

Особливістю вторинної структури РНК є те, що ланцюг спаралізований не повністю, а на 50–76%, інша частина нуклеотидів утворює аморфні відрізки вздовж ланцюга або петлі у спіралях.

 

 

Третинна  структура нуклеїнових кислот

Третинна  структура ДНК.

Молекули, ДНК  існують у вигляді лінійних і кільцевих форм (рис. 72). У лінійній формі знаходиться більшість природної ДНК, але ДНК ряду вірусів і фагів, а також ДНК хлоропластів, мітохондрій, центріолей і бактерійних плазмід мають кільцеву структуру.

Третинна структура  і лінійних і кільцевих форм ДНК характеризується спіралізацією і суперспіралізацією.

Третинна  структура ДНК – це суперспіралізація молекули завдяки утворенню водневих зв’язків між азотистими основами в одному двоспіралізованому ланцюзі з утворенням клубків, паличок і комплексів з білками, тобто подвійна спіраль ДНК на деяких ділянках може піддаватись наступній спіралізації з утворенням суперспіралі.

Суперспіралізація має місце тоді, коли у правообертаючій  спіралі ДНК число пар основ  на одиницю довжини більше стандартного і, як наслідок, утворюються від'ємні супервитки.

Суперспіральна (суперскручена) структура забезпечує економну упаковку величезної молекули ДНК в хромосомі: замість 8 см довжини, яку вона могла  б мати у витягнутій формі, в хромосомі  людини молекула ДНК настільки щільно упакована, що її довжина вкладається в 5 нм.

Більша частина нуклеїнових  кислот в організмі знаходиться  не у вільному стані, а з’єднана з білками. Нуклеїнові кислоти зв’язуються  з білками лужного характеру (гістонами), а також кислими (негістонними). Взаємодія між білками і молекулами ДНК забезпечується за рахунок утворення іонних зв’язків між негативно зарядженими залишками фосфату та позитивно зарядженими групами діаміномонокарбонових кислот.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Третинна структура РНК.

РНК може мати різні типи третинної структури: невпорядковано розташований у просторі ланцюг, клубок або компактні палички, що містять  біспіральні ділянки.

 

Вільні нуклеотиди

Нуклеотиди не лише входять  до складу нуклеїнових кислот, а  й можуть перебувати у вільному стані або бути складовими частинами ферментних систем.

Найбільш важливим серед  вільних нуклеотидів є аденозинтрифосфорна кислота (АТФ). Вона виконує роль акумулятора енергії, бере участь в енергетичном обміні організму. Утворюється в результаті екзергонічних окислювально-відновлювальних процесів і складається із залишків аденіну, рибози та трьох залишків фосфорної кислоти.

Хімічний зв'язок, позначений кривою лінією, називається макроергічним зв'язком. У молекулі АТФ є два таких зв'язки. Вони містять значно більше енергії, ніж звичайні хімічні зв'язки. Сполуки, що мають такі зв'язки, називаються макроергічними.

Фосфатні зв'язки цих сполук містять від 29,4 до 67,2 кДж/моль відщепленого фосфату. Звичайний зв'язок фосфорних ефірів, у тому числі  перший зв'язок у молекулі АТФ, містить 8,4 – 12,6 кДж енергії.

При відщепленні від АТФ  однієї або двох молекул фосфорної  килоти, які зв’язані між собою  макроергічним зв’язком, виділяється  значна кількість енергії, яка використовується на синтез речовин.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Велику роль в організмі  відіграють не тільки трифосфати аденозину, але й трифосфати інших нуклеозидів  – гуанозинтрифосфат (ГТФ), уридинтрифосфат (УТФ), тимідинтрифосфат (ТТФ) і цитидинтрифосфат (ЦТФ). Вони беруть участь в окремих  ланках найважливіших ферментативних процесів обміну речовин.

Нуклеотиди  мають величезне значення в організмі  як складові частини ферментів. Так, аденіловая кислота (АМФ) входить до складу активних груп (коферментів) усіх дегидрогеназ. Похідна аденілової кислоти  є складовою частиною коферменту ацилювання (коферменту А).

До складу ферментів  дегідрогеназ входять незвичайні нуклеотиди. Так, до складу коферменту піридинових  дегідрогеназ входить нуклеотид, азотистою  основою якого служить амід нікотинової  кислоти (вітамін В₅). Цей кофермент піридинових дегідрогеназ складається з залишків двох нуклеотидів — аденіннуклеотиду і нікотинаміднуклеотиду і називається нікотинамідаденіндинуклеотидом (НАД):

 

 

Коферментами інших  дегідрогеназ – флавінових – є флавінмононуклеотид (ФМН) і флавінаденіндинуклеотид (ФАД).

До складу ФМН входить азотиста основа – флавін, а замість рибози – її відновлена форма – рибіт.

 

ФАД аналогічно НАД складається з залишків двох нуклеотидов – аденілового і флавінового.