Хімія і структура ДНК

ХІМІЯ І СТРУКТУРА ДНК

Молекули ДНК є лінійними макромолекулами, що представляють собою довгі подвійні ланцюги (тяжі) полімерів, складених з мономерів, які отримали назву нуклеотидів (малих органі- чних молекул) і є будівельними блоками ДНК.

У всіх живих істот макромолекули ДНК побудовані за одним і тим же планом. Вони складаються в основному з одних і тих же нуклеотидів, кожен з яких містить по одній молекулі фосфорної кислоти і цукру, а також одне з чотирьох азотистих основ - аденін, гуанін, цитозин або тимін. Аденін і гуанін є пуриновими підставами, тоді як тимін і цитозин - піримідиновими. Пуринів і піримідинів називають підставами з тієї причини, що в кислому середовищі вони здатні приєднувати до себе іон Н +. Піримідинів є похідними шестичленного пиримидинового кільця, тоді як пурини представляють підстави, у яких друга п'ятичленних кільце злито з шестичленним кільцем (форм. 4).

Цукром в ДНК є 2-дезокси-Д-рибоза, що відрізняється від глюкози тим, що в її молекулі не 6, а 5 атомів вуглецю, т. Е. Є пятиуглеродного цукром (пентози). Особливість цього цукру полягає також в тому, що він має атом водню (Н), приєднаний до одного (специфічного) з атомів вуглецю, але не гідроксильну групу. Отже, цей цукор являє собою дезоксирибози, так як є рибозой, позбавленої кисню.

Сахарофосфат з'єднується з азотистих основ за допомогою β-гликозидной зв'язку. Підстава прикріплюється до I положенню дезоксирибози. Структура, утворена з'єднанням азотистого осно- вання і цукру, носить назву нуклеозиду. Таким чином, хімічними групами, які утворюють ДНК, є пуринові і піримідинові азотисті основи (аденін, гуанін, тимін і цитозин), цукор (2-дезокси-Д-рибоза) і фосфорна кислота.

РНК характеризується такою ж структурою, як і ДНК. Однак на відміну від ДНК в РНК цукром є рибоза з киснем, що є цукор з 5 атомами вуглецю, до одного з яких прикріплена 2'-гідроксильна група (-ОН). Крім того, в РНК тимін не має метильної групи і є урацілом, т. Е. В РНК тимін замінений на урацил, який також є пірімідіновим підставою (форм. 5, 6).

Нуклеїнові кислоти називають кислотами з тієї причини, що їх фосфатні групи звільняють в розчинах іони водню.

Для складу ДНК характерні закономірності, відомі як правил А. Чаргаффа, а саме:

1. Сума нуклеотидів, що містять пуринові азотисті основи, дорівнює сумі нуклеотидів, що містять піримідинові азотисті основи (А + Г = Т + Ц, або А + Г / Т + Ц = 1).

4. ДНК з різних джерел може мати відмінності, зумовлені в одних випадках переважанням аденина над гуаніном і тиміну над цитозином (А + Т> Г + Ц), в інших - переважанням гуаніну і цитозину над аденін і тиміном (Г + Ц> А + Т).

Дані про нуклеотидном складі основ ДНК різних організмів наводяться в табл. 7.

Для ДНК характерна структура трьох видів - первинна, вторинна і третинна.

Таблиця 7. Нуклеотидний склад підстав ДНК

Первинна структура ДНК полягає в тому, що ДНК складається з нуклеотидних ланцюгів, у яких кісткову основу складають чергуються цукрові і фосфатні групи, об'єднані ковалентними 31-, 51-фосфодіефірнимі скелетними зв'язками, а бічні групи представлені тим чи іншим підставою (одним з чотирьох) і приєднуються одна до одної молекулою цукру. Послідовно розташовані нуклеотиди ковалентно пов'язані фосфодіефірнимі зв'язками між цукровим залишком та фосфатом і в результаті цього об'єднані в полінуклеотидних ланцюг. Таким чином, первинна структура ДНК (як і РНК) визначається послідовністю нуклеотидів і характером їх зв'язків між цукровим залишком та фосфатом (рис. 33, 34).

Уявлення про вторинну структуру ДНК (рис. 35, 36) були сформульовані Д. Уотсоном і Ф. Криком ще в 1953 р На основі даних про Х-дифракції молекул ДНК, структурі підстав і правил А. Чаргаффа ці уявлення зводяться до наступного:

Молекула ДНК побудована з двох скручених направо спіралеподібних полінуклеотидних ланцюгів, причому кожен виток спіралі відповідає 10 азотистих підстав або відстані в 3,4 нм. Молекули ДНК, ланцюги яких скручені направо, спочатку назвали По-формою.

Обидва ланцюги об'єднані в результаті закручування одного ланцюга навколо іншої по загальній осі. Через протилежної послідовності ності атомів в кожному ланцюзі обидві ланцюга інвертовані щодо одна одної, т. Е. Напрям вздовж дуплексу є 3 '- 5' для одного ланцюга і 5 '- 3' для іншої.

Сахарофосфатнимі групи розташовуються на зовнішній стороні подвійної спіралі, тоді як підстави знаходяться всередині спіралі під прямим кутом і вздовж її осі. Діаметр молекули становить 2 нм, відстані між отдальнимі азотистими основами в молекулі рівні 0,34 нм. Таким чином, ДНК являє собою скручену в правостороннем напрямку подвійну спіраль, в якій пари азотистих основ А-Т і Г-Ц в комплементарних полінуклеотидних ланцюгах подібні поперечин сходи, а сахарофосфатнимі ланцюга є каркасом цих сходів.

4. Ланцюги в молекулі не ідентичні, але комплементарні і утримуються слабкими водневими зв'язками між азотистими підставами, причому спарювання азотистих основ для зв'язування ланцюгів має специфічний характер. Водневі зв'язки встановлюються не просто між азотистими підставами ланцюгів, а специфічно між пуріновим азотистих основ одного ланцюга і пірімідіновим азотистих основ інший. В результаті цього аденін одного з ланцюгів пов'язується з тиміном іншого ланцюга двома водневими зв'язками, тоді як гуанін однієї з ланцюгів пов'язується з цитозином, що знаходиться в іншій ланцюга, за допомогою трьох водневих зв'язків.

Мал. 33. Структурна формула ДНК

Мал. 34. Структурна формула РНК

Дезоксірібозние залишки пар А-Т і Г-Ц розділені однаковими відстанями. Для сахарофосфатнимі скелетних зв'язків характерна полярність, оскільки фосфат пов'язує групу 3'-ОН однієї дезоксирибози з групою 5'-ОН інший, тоді як комплементарні ланцюга мають протилежну полярність.

Мал. 35. Вторинна структура ДНК: 1 - В-форма; 2 - А-форма; 3 - Z-форма; 4 - розміри молекул

Мал. 36. Просторова атомна модель ДНК

Подвійна спіраль має упорядкований характер, оскільки кожна зв'язок підставу-цукор має однакову відстань від осі спіралі і перевернута на 36. Як видно, вторинна структура відображає собою форму нуклеїнової кислоти.

Дослідження рентгенівської дифракції молекул ДНК показали, що кількість підстав в витках закрученої направо спіралі може становити не тільки 10, як у В-форми, а й 11, а то і 9,3 підстави. Ці форми спіралей отримали назву А- і С-форм. Встановлено також, що в молекулах ДНК зустрічаються райони, ланцюги в яких закручені наліво. Ці райони отримали назву Z-форм. Відмінності між А-, В-, С- і Z-формами наведені в табл. 8, однак ступінь регулярності і конформації Z-форми ще не з'ясована.

Таблиця 8. Властивості різних конформаційних форм ДНК

Ступінь суперскручіванія ДНК залежить від ферментів, зокрема від динамічного балансу між взаімоантагоністіческімі ферментами ДНК-гіразу, яка відповідальна за суперскручіваніе, і ДНК-топоізомеразою I, яка усуває суперскручіваніе.

Третинна структура ДНК пов'язана з тривимірною просторовою конфігурацією молекул і залежить від внутрішньо молекулярних усло вий. Однак ця структура досить ще не вивчена.

Розміри молекул ДНК зазвичай встановлюють визначенням молекулярної маси в Дальтона і довжини в кількості пар основ. Молекулярна маса пари А-Т становить 617 дальтон, пари Г-Ц - 618 дальтон. Молекулярна маса 1000 пар азотистих основ (1 кілобаса) становить 617 500 дальтон, або 6,175-105 / 6,02-1020 г = 1,026-НІ6 г = 1,026-10-6 пікограмів (пг), 1 пг ДНК = 9,75- 105 кілобасов = 0,975-106 кілобасов.

Препарати ДНК, виділеної з клітин за допомогою звичайних методів, мають молекулярну масу близько 1,0-107. Довжина витка по осі ДНК В-форми дорівнює 3,4 нм. Відстань між парами підстав в ДНК В-форми Е. coli становить 0,34 нм.

Для характеристики будови ДНК використовують також такі фізичні константи, як щільність її при центрифугуванні в градієнті важких металів і температура плавлення. Перша константа відображає полідисперсність препаратів ДНК, тоді як друга - їх гетерогенність. Нагрівання ДНК в розчинах розриває водневі зв'язки між підставами в парах і руйнує вторинну структуру ДНК, т. Е. Викликає плавлення ДНК. В 0,1 М розчину NaCl плавлення настає при 95? С.

Плавлення ДНК є її денатурація. Однак чудова властивість денатурированной ДНК полягає в тому, що вона здатна до ренатурації in vitro, т. Е. Може відновлювати двухцепочечную структуру, причому ренатурації є дуже точною. Дві ланцюга денатурированной ДНК можуть ренатуріровать в природну двухцепочечную спіральну форму, якщо їх послідовності комплементарні або, іншими словами, якщо послідовності ланцюгів дозволяють формування пар основ, з'єднаних водневими зв'язками. Ренатурації можна оцінити і як гібридизації

Тим часом здатність самокомплементарних послідовностей до гібридизації і формування двухцепочечной спіралі властива не тільки ДНК, але і РНК. В результаті цього in vitro можна конструювати дволанцюжкові гібридні структури РНК-РНК або РНК-ДНК. Здатність нуклеїнових кислот до ренатурації має значення в вивченні специфіки окремих послідовностей, а також в таксономії.

Залежно від локалізації ДНК в клітині розрізняють ядерні (хромосомні) і екстраядерние (екстрахромосомние) детермінанти спадковості. Крім того, відомі транспозіруемие генетичні елементи (інсерційні послідовності, транспозони та ін.).