Нуклеиновые кислоты: РНК и ДНК, первичная структура

Нуклеиновые кислоты занимают исключительное место в процессах жиз­недеятельности живых организмов. Они осуществляют хранение и передачу генетической информации и являются инструментом, с помощью которого происходит управление биосинтезом белков.

Нуклеиновые кислоты представляют собой высокомолекулярные соеди­нения (биополимеры), построенные из мономерных единиц — нуклеотидов, в связи с чем нуклеиновые кислоты называют также полинуклеотидами.

Структура каждого нуклеотида включает остатки углевода, гетероцикли­ческого основания и фосфорной кислоты. Углеводными компонентами нук­леотидов являются пентозы: D-рибоза и 2-дезокси-D-рибоза.

По этому признаку нуклеиновые кислоты делятся на две группы:

• рибонуклеиновые кислоты (РНК), содержащие рибозу;

• дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие дезоксирибозу.

ДНК содержатся в основном в ядрах клеток, РНК преимущественно нахо­дятся в рибосомах, а также протоплазме клеток. ДНК играют главную роль в передаче наследственных признаков (генетической информации). РНК уча­ствуют в управлении процессом биосинтеза белка. Наиболее известны три ви­да клеточных РНК:

• матричные (мРНК);

• рибосомные (рРНК);

• транспортные (тРНК).

Первичная структура нуклеиновых кислот. ДНК и РНК имеют общие черты в структуремакромолекул:

• каркас их полинуклеотидных цепей состоит из чередующихся пентозных и фосфатных остатков;

• каждая фосфатная группа образует две сложноэфирные связи: с атомом С-З' предыдущего нуклеотидного звена и с атомом С-5' — последующего нуклео­тидного звена;

• нуклеиновые основания образуют с пентозными остатками N-гликозидную связь.

Приведено строение произвольного участка цепи ДНК, вы­бранного в качестве модели с включением в нее четырех основных нуклеино­вых оснований — гуанина (G), цитозина (С), аденина (А), тимина (Т). Принцип построения полинуклеотидной цепи РНК такой же, как и у ДНК, но с двумя отличиями: пентозным остатком в РНК служит D-рибофураноза, а в наборе нуклеиновых оснований используется не тимин (как в ДНК), а урацил.

(!) Один конец полинуклеотидной цепи, на котором находится нуклеотид со свободной 5'-ОН-группой, называется 5'-концом. Другой конец цепи, на котором находится нуклеотид со свободной З'-ОН-группой, называется З'-концом.

Нуклеотидные звенья записываются слева направо, начиная с 5'-концевого нуклеотида. Запись строения цепи РНК осуществляется по таким же прави­лам, при этом буква «d» опускается.

С целью установления нуклеотидного состава нуклеиновых кислот прово­дят их гидролиз с последующей идентификацией полученных продуктов. ДНК и РНК ведут себя по-разному в условиях щелочного и кислотного гид­ролиза. ДНК устойчивы к гидролизу в щелочной среде, в то время как РНК очень быстро гидролизуются до нуклеотидов, которые, в свою очередь, спо­собны отщеплять остаток фосфорной кислоты с образованием нуклеозидов. N-Гликозидные связи устойчивы в щелочной и нейтральной средах. Поэтому для их расщепления используется кислотный гидролиз. Оптимальные результаты дает ферментативный гидролиз с исполь­зованием нуклеаз, в том числе и фосфодиэстеразы змеиного яда, которые рас­щепляют сложноэфирные связи.

Наряду с нуклеотидным составом важнейшей характеристикой нуклеино­вых кислот является нуклеотидная последовательность, т. е. порядок чередова­ния нуклеотидных звеньев. Обе эти характеристики входят в понятие первич­ная структура нуклеиновых кислот.

Первичная структура нуклеиновых кислот определяется последовательно­стью нуклеотидных звеньев, связанных фосфодиэфирными связями в не­прерывную цепь полинуклеотида.

Общий подход к установлению последовательности нуклеотидных звень­ев заключается в использовании блочного метода. Сначала полинуклеотидную цепь направленно расщепляют с помощью ферментов и химических ре­агентов на более мелкие фрагменты (олигонуклеотиды), которые расшифро­вывают специфическими методами и по полученным данным воспроизводят последовательность строения всей полинуклеотидной цепи.

Знание первичной структуры нуклеиновых кислот необходимо для выяв­ления связи между их строением и биологической функцией, а также для по­нимания механизма их биологического действия.

Комплементарность оснований лежит в основе закономерностей, кото­рым подчиняется нуклеотидный состав ДНК. Эти закономерности сформу­лированы Э. Чаргаффом:

• количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых оснований;

• количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина равно количеству цитозина;

• количество оснований, содержащих аминогруппу в положениях 4 пири­мидинового и 6 пуринового ядер, равно количеству оснований, содержащих в этих же положениях оксогруппу. Это означает, что сумма аденина и цитозина равна сумме гуанина и тимина.

Для РНК эти правила либо не выполняются, либо выполняются с некото­рым приближением, поскольку в РНК содержится много минорных оснований.

Комплементарность цепей составляет химическую основу важнейшей функции ДНК — хранения и передачи наследственных признаков. Сохран­ность нуклеотидной последовательности является залогом безошибочной пе­редачи генетической информации. Изменение последовательности основа­ний в любой цепи ДНК приводит к устойчивым наследственным изменени­ям, а следовательно, и к изменениям в строении кодируемого белка. Такие изменения называют мутациями. Мутации могут происходить в результате за­мены какой-либо комплементарной пары оснований на другую. Причиной такой замены может служить сдвиг таутомерного равновесия.

Например, в случае гуанина сдвиг равновесия в сторону лактимной формы обусловлива­ет возможность образования водородных связей с необычным для гуанина ос­нованием — тимином и возникновение новой пары гуанин—тимин вместо традиционной пары гуанин—цитозин.

Замена «нормальных» пар оснований передается затем при «переписыва­нии» (транскрипции) генетического кода с ДНК на РНК и приводит в итоге к изменению аминокислотной последовательности в синтезируемом белке.