Первинна структура нуклеїнових кислот

Нуклеотиди, що входять до складу нуклеїнових кислот, з’єднані між собою за допомогою 3¢, 5¢ - фосфодиефірного зв’язку (рис. 5.8). Послідовність нуклеотидів визначає первинну структуру нуклеїнових кислот. Отже, утворюються 2 класи нуклеїнових кислот: ДНК і РНК. Як правило, генетичну інформацію несе ДНК. У деяких вірусів цю роль виконує РНК.

ДНК і РНК являють собою лінійні полімери. Майже всі РНК, за виключенням деяких РНК вірусної природи, одноланцюгові, в той час як ДНК практично всі дволанцюгові, побудовані за принципом комплементарності. Це накладає певні обмеження на нуклеотидний склад ДНК. Ця закономірність відкрита і описана Е. Чаргаффом і відома як правила Чаргаффа:

 

1) Мольна доля аденіну дорівнює мольній долі тиміну, тобто А/Т = 1;

2) Мольна доля гуаніну дорівнює мольній долі цитозину, тобто Г/Ц = 1.

 

 

 

Будова НК (3 ^׳, 5^′ - фосфодиефірний зв'язок. Ме = СН₃

Це значить, що для кількісного визначення нуклеотидного складу подвійної спіралі ДНК достатньо знати одну змінну – мольну долю одного із чотирьох нуклеотидів. Нуклеотидний склад природних ДНК суттєво відрізняється. Так, у ДНК деяких бактерій мольна доля Г-Ц пар складає 75%. У тварин цей параметр знаходиться в межах 40-50 %. Довжина ланцюгів рибонуклеїнових кислот не перевищує долі міліметра. Самі короткі з них тРНК, ступінь полімеризації яких ~ 80. Самі довгі РНК, це так звані гетерогенні ядерні РНК (гяРНК) містять до 2×10⁵ нуклеотидів. Довжина ДНК коливається в більш широких межах, від долей міліметра (декілька тисяч нуклеотидів) до сантиметрів (≈10⁹ нуклеотидів). Наприклад, молекули ДНК хромосоми людини містять від 48 млн до 240 млн. пар основ і мають довжину від 1,6 до 8,2 см.

Процедура виділення високомолекулярних ДНК в чистому вигляді непроста, оскільки навіть витікання розчину ДНК із піпетки приводить до розриву ковалентних зв’язків під дією ваги, тобто до фрагментації.

В нуклеїнових кислотах виявлені різноманітні типи структур. Деякі з цих структур тимчасові, тобто виникають при виконанні нуклеїновими кислотами своїх функцій. На словах їх можна описати як одноланцюгові, дволанцюгові, дволанцюгові з одноланцюговими кінцями, розгалужені, циклічні одноланцюгові, циклічні дволанцюгові, структури типу катенанів.

Визначити нуклеотидну послідовність в ДНК довгий час не вдавалось. За останні 20 років в цій області відбувся величезний прогрес. На сьогодні, на межі тисячоліть, розшифрована первинна структура ДНК геному людини. Це обумовлено, головним чином, двома факторами. По перше, було розроблено електрофоретичні методи розділення полінуклеотидів довжиною до 700 мономерів з точністю до одного нуклеотиду. По друге, були відкриті ферменти – рестриктази, які розщеплюють довгі молекули ДНК по певних нуклеотидних послідовностях, що дозволяє отримувати однакові фрагменти ДНК.

 

 

Вторинна структура ДНК

Вторинна структура ДНК запропонована Дж. Уотсоном і Ф. Кріком в 1953 р. (Нобелівська премія в 1962 р.) на базі узагальнення цілого ряду даних по вивченню нуклеїнових кислот. Найважливіші із них: 1) правила Чаргафа; 2) 3¢, 5¢-фосфодиефірний зв’язок між нуклеотидами; 3) рентгенографічні дані препаратів ДНК, отримані М.Уілкінсом і Р.Франклін; 4) b- конфігурація глікозидного зв’язку; 5) циклічна форма дезоксирибози.

Уотсон і Крік врахували розміри кожного нуклеотиду і побудували модель ДНК у вигляді подвійної спіралі. Висунули ідею про специфічну взаємодію між комплементарними парами А і Т та Г і Ц. Характерною особливістю цих структур є однакова відстань С_1¢- С_1¢ у кожної пари, що забезпечує утворення подвійної спіралі однакового діаметру незалежно від нуклеотидного складу (рис. 5.9)

 

 

Будова комплементарних пар нуклеозидів, що формують подвійну спіраль ДНК

 

Основи, що утворюють комплементарну пару, не лежать в одній площині, а повернуті відносно одна одної, утворюючи пропелер. Кут пропелера визначається двогранним кутом між площинами основ.

Вирішальне значення для побудови просторової структури ДНК мали рентгенографічні дослідження виконані М. Уілкінсом і Р. Франклін. Вони отримали рентгенограми орієнтованих ниток ДНК, (рис. 5.10).

Положення дифракційних максимумів (рефлексів) на рентгенограмі відповідає умові Вульфа-Брегга:

2b sin q = nl

де b – постійна гратки (відстань між площинами); q - кут дифракції; n = 0,1, 2, 3… - порядок дифракції, l - довжина хвилі. За формулою великим значенням b відповідають малі кути q.

На рентгенограмі В - форми ДНК можна виділити дві постійні гратки, які характеризують впорядковані структури, що розміщуються перпендикулярно до осі ДНК. Перша впорядкована структура з постійною b₁ обумовлює дифракційні рефлекси під кутом q₁, які розміщуються на паралельних шарових лініях. Відстань між шаровими лініями відповідає періоду b₁ = 3,4 нм. Другий впорядкований елемент ДНК спричиняє інтенсивні меридіональні рефлекси, перший з яких співпадає з 10-ою шаровою лінією і спостерігається під кутом q₂. За наведеною вище формулою йому відповідає період b₂ = 0,34 нм