Строение и биологические функции нуклеиновых кислот. Пути передачи генетической информации. Биосинтез ДНК (репликация)

Две полинуклеотидные цепи ДНК отличаются одна от другой как  последовательностью оснований, так и нуклеотидным составом. Однако основания, стоящие в данном положении в одной цепи, определяют природу основания в другой цепи. Например, если в одной цепи стоит аденин, то напротив него в другой цепи будет располагаться тимин, и наоборот. Если в одной цепи стоит гуанин, то в другой обязательно будет цитозин, и наоборот. Действительно, рентгеноструктурный анализ ДНК показал, что пуриновые и пиримидиновые основания нуклеотидных остатков ДНК лежат в одной плоскости, перпендикулярной продольной оси молекулы, тогда как циклы дезоксирибозы находятся в плоскости, почти перпендикулярной той, в которой лежат циклы оснований.

Явление, при котором  последовательность оснований одной  цепи однозначно определяет последовательность оснований другой цепи, получило название комплементарности. Таким образом, цепи молекул ДНК комплементарны по отношению друг к другу.

Сформулированный Уотсоном и Криком принцип комплементарности  явился универсальным принципом  в биологии. Он дал начало развитию новых научных направлений –  молекулярной биологии, молекулярной генетике, генной инженерии. Водородные связи обеспечивают способ спаривания оснований, стабильность двухцепочечной системы. Основания плотно упакованы, причем расстояние между центрами оснований, лежащих друг над другом, равно 0,34 нм. На каждый полный виток двойной спирали приходится 10 нуклеотидных пар. Упакованные внутри двойной спирали основания гидрофобны и недоступны молекулам воды. Ионизированные фосфатные группы и гидрофильные остатки дезоксирибозы находятся на поверхности молекулы и контактируют с молекулами воды. Таким образом, двойная спираль стабилизирована не только водородными связями между комплементарными основаниями, но и гидрофобными взаимодействиями между основаниями, расположенными вдоль длинной оси молекулы ДНК. Из-за высокой степени упорядоченности макромолекул ДНК ее иногда называют апериодическим одномерным кристаллом.

Макромолекулярная структура  ДНК

При рентгенографическом  исследовании головок сперматозоидов получается такая же дифракционная  картина, что и для образцов ДНК, т.е. спираль Уотсона-Крика наблюдается непосредственно в живых клетках.

Модель строения ДНК  в настоящее время является общепризнанной. За расшифровку структуры ДНК  Дж. Уотсону, Ф. Крику и М. Уилкинсу в 1962 г. была присуждена Нобелевская премия.

Третичная структура  ДНК образуется в результате дополнительного  скручивания в пространстве двухцепочечной молекулы. Она имеет вид суперспирали или изогнутой (сломанной) двойной  спирали.

В настоящее время  описаны три формы структуры  ДНК: А-, В- и Z-формы. Параметры модели Уотсона–Крика соответствуют конформации ДНК в физиологических условиях (В-форме ДНК). Однако при изменении условий среды двойная спираль может принимать другие формы. Так при уменьшении влажности (в препарате образца для рентгеноструктурного анализа) ДНК переходит в А-форму. Этот переход связан с изменением конформации в остатках дезоксирибозы, уменьшением расстояния между фосфатными группами сахарофосфатного остова.

Расстояние между парами нуклеотидов вдоль оси спирали, равное 0,34 нм в уотсон-криковской модели, уменьшается (примерно до 0,25 нм при 11 нуклеотидных остатках на один виток спирали). Диаметр спирали увеличивается; изменяются ширина и глубина бороздок; комплементарные пары азотистых оснований образуют с осью спирали угол 20° и, главное, они смещаются к периферии спирали. Поэтому двойная спираль похожа на пологую винтовую лестницу и внутри нее возникает полость диаметром 0,40 нм.

Переход молекулы ДНК  из В- в А-форму можно осуществить  при понижении активности воды в растворе (при внесении в него органического растворителя, например, этанола).

Существует мнение, что  В-форма представляет собой некую  промежуточную форму двух или  большего числа конформаций. Одной  из особенностей В-формы, называемой В'-формой, является способность менять в молекуле ДНК положение двух цепей на обратное. Более того, В-форма может существовать в виде как правой, так и левой спирали.

B- и Z-формы структуры ДНК

Хотя более стабильными  в А- и В-формах являются правозакрученные спирали, существуют довольно устойчивые и левозакрученные спирали ДНК. Одна из таких спиралей была получена в 1979 г. А. Ричем. Из-за нерегулярного зигзагообразного изгиба сахарофосфатного остова она была названа Z-формой. Повторяющаяся единица в Z-форме ДНК включает две пары нуклеотидов, а не одну, как в В- и А-формах. Вследствие этого линия, соединяющая фосфатные группы, через каждые две пары нуклеотидов имеет излом и принимает зигзагообразный вид. По сравнению с В-формой в левой Z-форме резко изменен характер стэкинга оснований: сильные и слабые межплоскостные взаимодействия также чередуются. Z-форма может переходить в В-форму при снижении ионной силы раствора, добавлении этанола. Однако вопрос о существовании Z-формы ДНК in vivo и ее биологической роли до конца не выяснен. Высказывается мнение, что переход правозакрученной формы в левозакрученную может служить регуляторным сигналом, контролирующим экспрессию генов.

1.4 Физико-химические  свойства ДНК

ДНК – довольно сильная  многоосновная кислота, полностью  ионизированная при рН 4,0. Фосфатные группы расположены по периферии. Они прочно связывают ионы Са и Мg , амины, гистоны – положительно заряженные белки. Устойчивость комплементарных пар оснований зависит от величины рН. Пары оснований наиболее устойчивы в интервале рН 4,0–11,0. За его пределами двухцепочечная спираль ДНК теряет устойчивость и раскручивается.

Молекулярная масса  ДНК неодинакова и зависит  от источника ее получения. К тому же даже при самых тщательных и  щадящих процедурах выделения ДНК  подвергается некоторой деградации. Препараты, полученные современными методами из тканей животных и растений, имеют молекулярную массу 6·10 –10·10 . Однако истинная молекулярная масса ДНК животных и растений, определенная по вязкости и по длине молекул, значительно выше и достигает десятков миллиардов.

У большинства вирусов  ДНК представляет собой двойную  спираль, линейную или замкнутую  в кольцо. У некоторых вирусов  она представляет собой одну полинуклеотидную цепь, замкнутую в кольцо и имеющую  сравнительно небольшую молекулярную массу – 2·10 . ДНК сравнительно легко деполимеризуется под действием некоторых химических соединений, ультразвука, ионизирующей и ультрафиолетовой радиации. Нагревание растворов ДНК до температур 70–80°С, а также их подщелачивание вызывают денатурацию ДНК, заключающуюся в плавлении двойной спирали (разрушение водородных связей и гидрофобных взаимодействий), и расхождение полинуклеотидных цепей. Денатурация сопровождается понижением вязкости раствора, повышением поглощения в ультрафиолетовой области, увеличением отрицательного удельного вращения плоскости поляризации света, увеличением плавучей плотности образцов ДНК. Возрастание светопоглощения света при 260 нм называется гипохромным эффектом; это важнейший критерий денатурации ДНК, по которому можно контролировать этот процесс.

В отличие от многих глобулярных  белков, денатурация которых происходит постепенно в широком температурном  интервале, нативные ДНК денатурируют в узком интервале температур (~10°С), поэтому тепловую денатурацию  часто называют плавлением. Температура плавления тем выше, чем больше в молекуле ДНК GС-пар; этот показатель может использоваться для определения нуклеотидного состава ДНК. Установлено, что температура плавления линейно связана с составом ДНК: ее повышение на 1° соответствует 2,5 молярных % GС-пар. Гомогенные препараты ДНК характеризуются плавлением с резким переходом спираль – клубок, тогда как гетерогенные препараты дают сравнительно широкую зону плавления, что может служить мерой гетерогенности ДНК. При быстром охлаждении после тепловой денатурации ДНК не восстанавливает своих нативных свойств; однако, при медленном охлаждении полинуклеотидные цепи реассициируются по принципу комплементарности, т.е. происходит ренатурация молекул ДНК. Это продемонстрировано, в частности, на препаратах ДНК пневмококка с помощью методов электронной микроскопии и градиентного ультрацентрифугирования в СsСl.

1.5 Биологические  функции ДНК

Важнейшая биологическая  функция ДНК – генетическая, т.е. хранение и передача наследуемых  признаков. В 1943 г. О. Т. Эвери,

К. Мак-Леод и М. Мак-Карти  из Рокфеллеровского института обнаружили это впервые. Они экспериментально установили, что невирулентный штамм  бактерии Pneumococcus может превратиться в вирулентный простым добавлением ДНК, выделенной из вирулентных пневмококков. Исследователи заключили, что ДНК может содержать генетическую информацию. Работа О.Т. Эвери и его сотрудников признана выдающейся, представляющей собой важную историческую веху в исследовании генетической функции ДНК. Сейчас многочисленными экспериментами установлено, что ДНК – основной компонент клеточных органелл-хромосом. Трансформирующаяся ДНК включается ковалентно в ДНК невирулентной клетки (клетки-реципиента) и, таким образом, реплицируется вместе с хромосомой реципиента; свойство вирулентности наследуется. В то же время возможность передачи генетической информации бактериальным клеткам в результате введения РНК или белка не получила экспериментального подтверждения.

На вопрос, почему наследуемые  признаки копируются с удивительной точностью, дает ответ принцип комплементарности. Модель ДНК, разработанная Уотсоном и Криком, четко объясняет механизм передачи информации. В связи с тем, что последовательность азотистых оснований одной цепи однозначно определяет последовательность оснований в другой цепи, репликация ДНК в клетке происходит в результате расхождения двух полинуклеотидных цепей и последующего синтеза двух новых (дочерних) цепей на старых (родительских) цепях как на матрицах. В результате образуются две дочерние двухцепочечные молекулы ДНК, идентичные родительской молекуле ДНК, содержащие по одной цепи из родительской молекулы. Такой механизм репликации был назван полуконсервативным. Он получил блестящее подтверждение в экспериментах с клетками E.coli и меченым азотом N , проведенных М. Мезелсоном и Ф. Сталем в 1957 г. Полученные ими результаты точно согласуются с полуконсервативным механизмом редупликации макромолекул ДНК.

1.6 Структура и физико-химические  свойства РНК

Рибонуклеиновые кислоты (РНК) – однонитевые  молекулы, поэтому в отличие от ДНК их вторичная и третичная структуры нерегулярны. Нуклеотидная цепь РНК обладает гибкой структурой, ее длина в зависимости от вида РНК может варьировать в очень широких пределах – от нескольких десятков до десятков тысяч нуклеотидных остатков; молекулярная масса РНК находится в пределах 10 –10 .

Последовательность нуклеотидных звеньев, соединенных фосфодиэфирной связью в неразветвленную полинуклеотидную цепь, представляет собой первичную  структуру РНК. Вторичная и третичная  структуры РНК, определяемые как пространственная конформация полинуклеотидной цепи, формируются в основном за счет водородных связей и гидрофобных взаимодействий между азотистыми основаниями. Если для молекулы нативной ДНК характерна устойчивая спираль, то структура РНК более многообразна и лабильна. Рентгеноструктурный анализ показал, что отдельные участки полинуклеотидной цепи РНК, перегибаясь, навиваются сами на себя с образованием внутриспиральных структур. Стабилизация структур достигается за счет комплементарных спариваний азотистых оснований антипараллельных участков цепи; специфическими парами здесь являются А–U, G–С и, реже, G–U.

Образование спиральных структур сопровождается гипохромным  эффектом – уменьшением оптической плотности образцов РНК при 260 нм. Разрушение этих структур происходит при понижении ионной силы раствора РНК или при его нагревании до 60–70°С; оно также называется плавлением и объясняется структурным переходом спираль – хаотический клубок, что сопровождается увеличением оптической плотности раствора нуклеиновой кислоты.

Хотя РНК относится  к однониточным полинуклеотидам, вместе с тем в ее цепях имеются  участки различной длины, состоящие  из комплементарных друг другу нуклеотидных последовательностей, включающих от десятков до тысяч нуклеотидных остатков, расположенных на небольшом удалении друг от друга. Благодаря этому в молекуле РНК возникают как короткие, так и протяженные биспиральные участки, принадлежащие одной цепи; эти участки носят название шпилек. Модель вторичной структуры РНК со шпилькообразными элементами была создана в конце 50-х – начале 60-х гг. XX в. в лабораториях А.С. Спирина (Россия) и П. Доти (США).

1.7 Типы РНК  и их биологические функции

Клетки содержат три  основных типа РНК: рибосомную – рРНК, транспортную – тРНК и матричную (информационную) – мРНК. Каждая из этих РНК выполняет специфическую роль в сложном процессе биосинтеза белка, при котором последовательность аминокислот однозначно определяется нуклеотидной последовательностью ДНК.

В эукариотических клетках существуют также малые ядерные РНК (мяРНК), являющиеся участниками процессинга РНК, и гетерогенные ядерные РНК (гяРНК), представляющие собой предшественников мРНК. Кроме того, обнаружена так называемая антисмысловая РНК, участвующая в регуляции процесса репликации ДНК.

В процессе транскрипции нуклеотидная последовательность локуса (место в хромосоме, где находится  ген) в ДНК копируется в молекулу РНК. Транскрибируются три вида генов. Транскрипты генов рРНК используются в синтезе рибосом, нуклеотидная последовательность мРНК переписывается в последовательность аминокислот при синтезе полипептида на рибосоме, а транскрипты генов тРНК связываются с аминокислотами, которые затем переносятся в рибосомный синтезирующий центр в последовательности, зашифрованной в мРНК; этот процесс называется трансляцией.

Рибосомная РНК. Она  входит в состав клеточных органелл – рибосом. Биохимическая функция  рРНК пока до конца не изучена. Предполагается, что она играет роль молекулярного  каркаса, на котором крепятся участники процесса трансляции; рРНК имеет большую молекулярную массу (до 2–10 ), характеризуется метаболической стабильностью. На ее долю приходится до 85–90% всех клеточных РНК. Степень спирализованности молекул рРНК находится в пределах 70–80%.

Предполагается, что в белоксинтезирующей системе клетки функция рРНК не исчерпывается ролью структурного компонента. У прокариотов обнаружено, что в рРНК имеются небольшие участки, комплементарные участкам мРНК. Спаривание этих участков, видимо, способствует первоначальному связыванию мРНК с рибосомой. Не исключено, что некоторые участки рРНК играют определенную роль в формировании пептидтрансферазного центра рибосомы, ответственного за образование пептидных связей при синтезе белка.