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.

Строение нуклеотидов

Каждый нуклеотид содержит 3 химически различных компонента: гетероциклическое азотистое основание, моносахарид (пентозу) и остаток фосфорной кислоты. В зависимости от азотистого основания, существуют два типа нуклеотидов: пуриновые - аденин (А), гуанин (G) и пиримидиновые - цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U). При написании структурных формул нуклеотидов, нумерация атомов в кольцах пурина и пиримидина записывается внутри цикла (рис.1). Молекулы сахаров в нуклеотидах представлены либо остатком рибозы (в составе РНК), либо дезоксирибозы (в составе ДНК). Чтобы отличить номера атомов в пентозах от нумерации атомов в основаниях, обозначение номера атома указывают цифрой со штрихом и запись производят с внешней стороны кольца. (') - 1', 2', 3', 4' и 5' (рис. 4-3).

 

Рис. 1. Пуриновые и пиримидиновые основания, входящие в состав нуклеотидов ДНК и РНК.

Рис. 2. Структурная формула пентоз, входящих в состав нуклеотидов: β-D-рибоза в составе нуклеотидов РНК и β-D-2-дезоксирибоза в составе нуклеотидов ДНК.

Пентозу соединяет с азотистым основанием N-гликозидная связь, образованная С₁-атомом пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и N₁ -атомом пиримидина или N₉-aтомом пурина (рис. 1, рис. 3.) Такое образование называют нуклеозидом, при присоединении остатка фосфорной кислоты к пентозе через 5'-ОН –группу нуклеозид превращается в нуклеотид.

Таким образом, остов полинуклеотидной цепи (одинарной цепи нуклеиновой кислоты) имеет одинаковое строение по всей длине молекулы и состоит из чередующихся групп - пентоза-фосфат-пентоза. Вариабельными группами в полинуклеотидных цепях являются азотистые основания - аденин, гуанин, цитозин, тимин (урацил). Уникальность структуры и функциональная индивидуальность молекул ДНК и РНК определяются их первичной структурой - последовательным расположением нуклеотидов в цепи. В состав нуклеиновых кислот входят монофосфаты, т.е. нуклеотиды содержащие лищь один остаток фосфорной кислоты. В таблице 1 приведены номенклатура и буквенные обозначения монофосфатов. Кроме нуклеозидмонофосфатов, в клетках присутствуют нуклеозиддифосфаты, нуклеозидтрифосфаты, содержащие, соответственно, два или три остатков фосфорной кислоты. Так, если к молекуле АМФ присоединить еще один остаток фосфорной кислоты, то получится молекула АДФ, если присоединить два остатка фосфорной кислоты - молекула АТФ (Рис. 4).

 

Рис. 3. Образование пуриновых (АМФ) и пиримидиновых (ЦМФ) нуклеотидов.

Таблица 1. Номенклатура нуклеозидов и нуклеотидов, входящих в состав нуклеиновых кислот

Азотистое основание	Нуклеозид	Нуклеотид	Трёхбуквенное обозначение	Однобуквенный код
Аденин	Аденозин	Аденозинмонофосфат	АМФ	А
Гуанин	Гуанозин	Гуанозинмонофосфат	ГМФ	G
Цитозин	Цитидин	Цитидинмонофосфат	ЦМФ	С
Урацил	Уридин	Уридинмонофосфат	УМФ	U
Тимин	Тимидин	Тимидинмонофосфат	ТМФ	Т

 

 

Рис. 4. Нуклеозидмонофосфат, нуклеозидиофосфат и нуклеозидтрифосфат аденозина. Нуклеотиды - фосфорные эфиры нуклеозидов. Остаток фосфорной кислоты присоединён к 5'-углеродному атому пентозы (5'-фосфоэфирная связь).

Структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК)

Первичная структура ДНК -порядок чередования дезоксирибонуклеозидмонофосфатов (дНМФ) в полинукпеотидной цепи. Каждая фосфатная группа в полинуклеотидной цепи, за исключением фосфорного остатка на 5'-конце молекулы, участвует в образовании двух эфирных связей с участием 3'- и 5'-углеродных атомов двух соседних дезоксирибоз, поэтому связь между мономерами называют 3', 5'-фосфодиэфирной связью (Рис. 5).

 

Рис. 5. Первичная структура фрагмента одной цепи ДНК, состоящего из трех нуклеотидов

Концевые нуклеотиды ДНК различаются по структуре: на 5'-конце находится фосфатная группа, а на 3'-конце цепи - свободная ОН-группа. Эти концы называют 5'- и 3'-концами плинуклеотидной цепи. Линейная последовательность дезоксирибонуклеотидов в полимерной цепи ДНК сокращённо записывают с помощью однобуквенного кода от 5'- конца к 3'-концу, например -A-G-C-T-T-A-C-A-.

В каждом мономере нуклеиновой кислоты присутствует остаток фосфорной кислоты. При рН 7 фосфатная группа полностью ионизирована, поэтому in vivo нуклеиновые кислоты существуют в виде полианионов (имеют множественный отрицательный заряд), и соответственно, хорошо растворяются в воде. Остатки пентоз тоже проявляют гидрофильные свойства. Азотистые основания почти нерастворимы в воде, но некоторые атомы пуринового и пиримидинового циклов способны образовывать водородные связи.

В торичная структура ДНК. В 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком была предложена модель пространственной структуры ДНК. Согласно этой модели, молекула ДНК имеет форму спирали, образованную двумя полинуклеотидными цепями, закрученными относительно друг друга и вокруг общей оси.

 

 

Рис. 6. Модель двойной спирали фрагмента молекулы ДНК. А- образование спирали; Б- трехмерная модель

Молекулы ДНК состоят из двух антипараллельных цепей с комплементарной последовательностью нукпеотидов. Цепи закручены относительно друг друга в правозакрученную спираль так, что на один виток приходится примерно 10 пар нуклеотидов.

Двойная спираль правозакрученная, полинуклеотидные цепи в ней антипараллельны (рис. 6), т.е. если одна из них ориентирована в направлении 3'→5', то вторая - в направлении 5'→3'. Поэтому на каждом из концов молекулы ДНК расположены 5'-конец одной цепи и 3'-конец другой цепи. На 5'-конце располагается свободная т 5'-ОН –группа дезоксирибозы, иногда она может быть фосфорилированной. На другом конце располагается свободная 3'-ОН сахара, она также может быть этерифицирована фосфатной группой.

Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК изображают в виде последовательности букв, обозначающих соответствующие основания. Например, если имеется следующий фрагмент двухцепочечной ДНК:

5' CATGTA 3'

3' GTAСAT 5'

Такую структуру представляют в виде простой одноцепочечной последовательности:

CATGTA

Если последовательность нуклеотидов записывается, начиная с 5'-конца, нет необходимости указывать 5' и 3' – концы.

Все основания цепей ДНК расположены внутри двойной спирали, а пентозофосфатный остов - снаружи. Полинуклеотидные цепи удерживаются относительно друг друга за счёт водородных связей между комплементарными пуриновыми и пиримидиновыми азотистыми основаниями А и Т (две связи) и между G и С (три связи) (рис. 7). При таком сочетании каждая

Рис. 7. Образование комплементарных пурин-пиримидиновые пары оснований в двойной цепи ДНК. Пара Ц - Г стабилизируется тремя водородными связям, пара А – Т - двумя водородными связями

пара содержит по три кольца, поэтому общий размер этих пар оснований одинаков по всей длине молекулы. Водородные связи при других сочетаниях оснований в паре возможны, но они значительно слабее. Последовательность нуклеотидов одной цепи полностью комплементарна последовательности нуклеотидов второй цепи. Поэтому, согласно правилу Чаргаффа (Эрвин Чаргафф в 1951 г. установил закономерности в соотношении пуриновых и пиримидиновых оснований в молекуле ДНК), число пуриновых оснований (А + G) равно числу пиримидиновых оснований (Т + С). Спонтанный процесс образования пар оснований называют гибридизацией. Если молекулу ДНК разрезать на короткие двухцепочечные фрагменты длиной от 20 до 100 нуклеотидов, а затем нагреть до 95 С, водородные связи между комплементарными основаниями разрушются и двухцепочечная цепь распадается на две одноцепочечные фрагменты. Этот процесс называют плавлением ДНК (тепловой денатурацией). Однако, если раствор ДНК охладить, то одноцепочечные фрагменты ДНК начнут снова превращаться в двухцепочечные за счет спаривания по комплементарных участков. Такая техника гибридизации молекул называется отжигом, ренатурацией ей

Комплементарые основания уложены в стопку в сердцевине спирали. Между основаниями двухцепочечной молекулы в стопке возникают Ван-Дер-Ваальсовы (стэкинг) взаимодействия, стабилизирующие двойную спираль.

Такая структура исключает контакт азотистых остатков с водой, но стопка оснований не может быть абсолютно вертикальной. Пары оснований слегка смещены относительно друг друга, как показано на рисунке. В образованной структуре различают две бороздки - большую, шириной 2,2 нм, и малую, шириной 1,2 нм. Азотистые основания в области большой и малой бороздок взаимодействуют со специфическими белками, участвующими в организации структуры хроматина.

Описанная выше конформация известна как В-форма спирали, в такой форме ДНК обычно находится в клетке. Однако, в зависимости от условий, ДНК может изменять свою форму. При обезвоживании клетки, двойная спираль приобретает более сплющенную форму с большим углом наклона оснований, и приобретает так называемую А-форму. В частности, в А-форма ДНК встречается в спорах растений. Известна еще одна форма ДНК, Z- форма, когда сахарофосфатный остов образует зигзагообразную форму вдоль спирали. В такой форме спираль закручена не вправо как в В- и А- формах, а влево. Биологическое значение А и Z – формпока не известно, предполагается что такие формы представляют приспособительные конфигурации ДНК в различных участках хромосом. Важным свойством двойной спирали является ее способность изгибаться. Молекулы ДНК в миллионы раз длинее, чем размеры ядра и клетки, и соответственно, для упаковки ДНК в них она должна быть гибкой. Следует отметить, что ДНК почти всегда находиться в форме двойной спирали, за исключением одноцепочечных ДНК некоторых бактериальных вирусов.

 

 

Рис.8. Схематическое изображение двойной спирали ДНК. а - по Уотсону и Крику; б - А-форма ДНК; в - В-форма ДНК.

с - остаток дезоксирибозы, р - остаток фосфорной

Третичная структура ДНК (суперспирализация ДНК)

Каждая молекула ДНК упакована в отдельную хромосому. В диплоидных клетках человека содержится 46 хромосом. Общая длина ДНК всех хромосом клетки составляет 1,74 м, но она упакована в ядре, диаметр которого в миллионы раз меньше. Чтобы расположить ДНК в ядре клетки, должна быть сформирована очень компактная структура. Компактизация и суперспирализация ДНК осуществляются с помощью разнообразных белков, взаимодействующих с определёнными последовательностями в структуре ДНК. Все связывающиеся с ДНК эукариотов белки можно разделить на 2 группы: гисгоновые и негистоновые белки. Комплекс белков с ядерной ДНК клеток называют хроматином.

Гистоны - белки с молекулярной массой 11-21 кД, содержащие много остатков аргинина и лизина. Благодаря положительному заряду гистоны образуют ионные связи с отрицательно заряженными фосфатными группами, расположенными на внешней стороне двойной спирали ДНК.

Существует 5 типов гистонов. Четыре гистона Н2А, Н2В, НЗ и Н4 образуют октамерный белковый комплекс (Н2А, Н2В, НЗ, Н4)₂, который называют "нуклеосомный кор" (от англ. nucleosome core). Молекула ДНК "накручивается" на поверхность гистонового октамера, совершая 1,75 оборота (около 146 пар нуклеоти-дов). Такой комплекс гистоновых белков с ДНК служит основной структурной единицей хроматина, её называют "нуклеосома". ДНК, связывающую нуклеосомные частицы, называют линкерной ДНК. В среднем линкерная ДНК составляет 60 пар нуклеотидных остатков. Молекулы гистона H1 связываются с ДНК в межнуклеосомных участках (линкерных последовательностях) и защищают эти участки от действия нуклеаз (рис. 8).

В ядре каждой клетки присутствует около 60 млн. молекул каждого типа гистонов, а общая масса гистонов примерно равна массе ДНК.

Рис. 9. Модель структуры нуклеосом. Восемь молекул гистонов (Н2А, Н2В, НЗ, Н4)₂ составляют ядро нуклеосомы, вокруг которого ДНК образует примерно 1,75 витка.

Аминокислотные остатки лизина, аргинина и концевые аминогруппы гистонов могут модифицироваться: ацетилироваться, фосфорилироваться, метилироваться или взаимодействовать с белком убиквитином (негистоновый белок). Модификации бывают обратимыми и необратимыми, они изменяют заряд и конформацию гистонов, а это влияет на взаимодействие гистонов между собой и с ДНК. Активность ферментов, ответственных за модификации, регулируется и зависит от стадии клеточного цикла. Модификации делают возможными конформационные перестройки хроматина.