Структурная организация молекул нуклеиновых кислот.

Нуклеиновые кислоты. Типы нуклеиновых кислот. Структура и номенклатура нуклеотидов. Пуриновые и пирмидиновые основания. Первичная структура ДНК, двойная спираль ДНК., антипаралелность цепей ДНК. N- гликозидная связь в нуклеотидах. Высшие структуры ДНК, упаковка ДНК в хромосомах. Примеры возможных структур ДНК. Рибонуклеиновые кислоты (РНК). Виды РНК, структура РНК.

Генетическая информация - это набор элементов, определяющих структурные и функциональные свойства клеток, и организма в целом . Генетическая информация в основном находится в ядрах клеток в виде молекул ДНК (или, более точно, в нуклеотидной последовательности этих молекул) и используется клеткой, когда это необходимо. После деления клетки синтез структурных белков и ферментов, необходимых для функционирования клетки, а также рост и дифференциация клеток находятся под генетическим контролем. В дифференцированных клетках генетическая информация используется для регуляции метаболических процессов.

Местонахождением генетической информации в клетке является ядерная ДНК, а в прокариотических клетках и автономных клеточных органеллах - кольцевая ДНК. Ядро - морфологически обособленная органелла,отделенная от цитоплазмы ядерной мембраной. По существу это двойная мембрана, образующая поры диаметром примерно от 30 до 100 нм, через которые при необходимости могут проникать макромолекулы. Обладая уникальной структурой, ядерная мембрана непосредственно участвует в репликации ДНК и может сообщаться с цитоплазмой. Основным ядерным материалом является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), которая в интерфазном ядре образует нити различной толщины (в среднем 10 нм, но иногда всего лишь 2 нм). Толщина нитей зависит от присутствия или отсутствия белков, окружающих двойную спираль ДНК. Длина нитей зависит от молекулярной массы ДНК, одна хромосома с молекулярной массой до 10¹² содержит ДНК, длина которой составляет несколько сантиметров. Количество ядерной ДНК зависит от источника выделения (около 6 пг содержатся в клетке млекопитающих) и довольно постоянно в различных клетках данного вида.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК) находятся в ядре, ядрышке и цитоплазме. Ядерные белки можно разделить на гистоны и негистоновые белки. Гистоны делятся на пять групп в соответствии с размером, зарядом (всегда положительным) и аминокислотным составом. Их функции заключаются в превращении длинных нитей ДНК в более компактную структуру (сверхспираль). Это достигается благодаря электростатическому взаимодействию гистонов с отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК. Строение негистоновых белков полностью не известно, по-видимому, они являются кислыми фосфорилированными белками. Они ответственны за избирательное и временное ингибирование транскрипции ДНК, происходящее при связывании с отдельными сегментами ДНК, а также за регуляцию транскрипции гистоновых генов.

Молекулы ДНК представляют собой полинуклеотиды, т.е. цепи, состоящие из мононуклеотидов. Главный остов молекулы ДНК формируется из остатков дезоксирибозы, чередующихся с фосфатными остатками, образующими диэфирные связи следующим образом: 5'-ОН группа дезоксирибозы этерифицирована фосфорной кислотой, которая присоединена к 3'-ОН группе дезоксирибозы соседнего нуклеотида. Молекула ДНКсодержит пиримидиновые основания (тимин Т, цитозин С) и пуриновые основания (аденин А, гуанин G).

Углеродный атом С1 дезоксирибозы связан N-гликозидной связью с N1-пиримидиновым или N9-пуриновым атомом гетероцикла. Последовательность оснований специфична для каждой молекулы ДНК. В растворе молекула ДНК принимает форму двойной спирали (согласно модели Уотсона и Крика). Две цепи соединены друг с другом водородными связями, образованными парами оснований А-Т (2 водородныхсвязи) и C-G (3 водородных связи). Спираль также стабилизована гидрофобными взаимодействиями между

соседними основаниями в одной и той же цепи и поддерживается молекулами основных белков, локализованными в бороздке двойной спирали. Кроме линейной, ДНК может существовать в циклической форме, образуя либо одно кольцо, либо несколько колец, соединенных как звенья цепи (в митохондриях, бактериях, вирусах). В хромосомах образуется сверхспираль (свернутая двойная спираль), при этом достигается максимально плотная ее упаковка.

Молекулы ДНК синтезируются в присутствии фермента из дезоксирибонуклеотидов на матрице (т.е. на одной из цепей ДНК), нуклеотидная последовательность которой постепенно будет точно скопирована. Для биосинтеза ДНК требуется присутствие всех дезоксирибонуклеотидов (dTTP, dATP, dCTP, dGTP).

Пиримидиновые нуклеотиды образуются в результате длинной последовательности реакций, начинающихся с аспарагиновой кислоты и карбамоилфосфата.

Пуриновые нуклеотиды синтезируются постадийно, исходя из молекулы α-D-рибозо-5-фосфата. Дезоксирибонуклеотиды образуются восстановлением рибонуклеотидов на уровне рибонуклеотиддифосфатов (ADP,GDP, CDP, TDP). Восстановление рибозы в дезоксирибозу (например, превращение GDP в dGDP) катализируется белком тиоредоксином, окисленная форма которого регенерируется тиоредоксинредуктазой, функционирующей в присутствии NADPH.

Репликация (точное воспроизведение) ДНК - очень сложный процесс, для которого, кроме четырех дезоксирибонуклеозидтрифосфатов, необходимо присутствие ДНК-полимеразы, РНК-полимеразы, ДНК-лигазы и так называемых ДНК-связывающих белков, которые фиксируют однонитевые участки ДНК. На одной из цепей ДНК (матрице) под действием РНК-полимеразы происходит образование коротких фрагментов РНК (50-100 оснований), которые служат праймером для синтеза фрагментов синтезируемой ДНК (синтез на-

чинается с 3'-ОН-конца РНК под действием полимеразы). После деградации РНК образованные сегменты ДНК связываются между собой под действием ДНК-лигазы. В бактериях роль ДНК-полимеразы I (фермент Корнберга), по-видимому, ограничена репарацией цепей ДНК.

Таким образом, процесс репликации ДНК является полуконсервативным, поскольку во вновь образованной структуре двойной спирали только одна из цепей ДНК синтезируется заново. Этот механизм лежит в основе передачи генетической информации от одного поколения клеток к следующему.

В течение жизни клетки генетическая информация транскрибируется с молекул ДНК на РНК. Процесс транскрипции происходит в ядре. Образование молекул РНК катализируется РНК-полимеразой на основании той информации, которая содержится в последовательности оснований в ДНК. Молекула РНК образуется наращиванием нуклеотидной цепи в направлении 5'—>3' в присутствии четырех рибонуклеотидов (АТР, GTP, СТР, UTP) и матрицы (кодирующей цепи ДНК). Для транскрипции необходимы обе цепи ДНК, однако в данный момент только одна из них служит в качестве матрицы. Механизм выбора одной из цепей для транскрипции пока неизвестен.

РНК-содержащие вирусы, у которых нет ДНК, могут размножаться в клетке хозяина с помощью РНК-репликазы, синтез которой они индуцируют в этой клетке.

Молекулы РНК, синтезированные на ДНК-матрице,- это в основном тРНК, рРНК и мРНК, служащие для передачи генетической информации из ядра в цитоплазму.

Генетическая информация закодирована, и код служит для передачи информации, хранящейся в ДНК, в аминокислотную последовательность всех клеточных белков. Код основан на триплетах оснований; каждый триплетный кодон в ДНК соответствует определенной аминокислоте. Генетический код универсален и вырожден. Вырожденность кода во многих случаях затрагивает лишь третье основание. Кроме триплетов, кодирующих индивидуальные аминокислоты, имеются и такие, которые служат в качестве стоп-сигналов в пептидном синтезе (терминирующие кодоны).

Объем генетической информации зависит от числа и размера молекул ДНК в ядрах. Клетки могут полностью использовать доступную генетическую информацию только до стадии бластулы. С этого времени, по мере дифференциации, способность к реализации генетической информации понижается. Полностью дифференцированные клетки используют только небольшую часть генетической информации, хранящейся в ядре.

Дефекты в передаче генетической информации часто вызываются мутациями или специфическими ингибиторами, называемыми цитостатиками. Мутация - это процесс, в котором одно из оснований в цепи ДНК заменяется на другое основание, либо существующее в природе, либо полученное искусственно. Если заменено только одно основание, говорят о точечной мутации. Точечные мутации обычно не сильно отражаются на смысле генетической информации и не летальны. Однако, если одно или более оснований выщепляется из полинуклеотидной цепи ДНК (делеция) или если появляются новые основания (включение), могут произойти серьезные нарушения в выражении наследственной генетической информации, и такие мутации обычно летальны. Мутагенами называются факторы, вызывающие мутации. Важнейшими химическими мутагенами являются азотистая кислота и алкилирующие агенты. Среди физических факторов особенно мутагенны УФ-излуче-

ние и ионизирующиая радиация.

Другие нарушения в реализации генетической информации вызываются антибиотиками. Антибиотики могут иметь различную структуру и вызывать ингибирование одного из процессов выражения генетической информации: так, репликация молекулы ДНК ингибируется стрептомицином, синтез мРНК - актиномицином D.

Ошибки в последовательности ДНК, которые произошли либо при репликации, либо под действием мутагенов, могут быть ликвидированы согласованным действием ДНК-полимеразы, эндодезоксирибонуклеазы и ДНК-лигазы. Ошибки в одной из цепей репарируются по правильной последовательности комплементарной цепи. ДНК-лигаза катализирует образование фосфорнодиэфирной связи между двумя концами цепи разорванной ДНК или кольцевой ДНК.

В каждом живом организме присутствуют 2 типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Молекулярная масса самой "маленькой" из известных нуклеиновых кислот - транспортной РНК (тРНК) составляет примерно 25 кД. ДНК - наиболее крупные полимерные молекулы; их молекулярная масса варьирует от 1 000 до 1 000 000 кД. ДНК и РНК состоят из мономерных единиц - нуклеотидов, поэтому нуклеиновые кислоты называют полинуклеотидами. Одинарная цепь ДНК (или РНК) представляет собой последовательно расположенные нуклеотиды, соединенные между собой фосфорнодтэфирной связью.