6.3. Строение нуклеиновых кислот

В каждом организме существуют два типа нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Мономерами нуклеиновых кислот служат нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара и фосфорной кислоты.

Азотистые основания в ДНК следующие: А - аденин,  Г - гуанин, Ц - цитозин, Т - тимин. Нуклеотид, в свою очередь, можно представить как нуклеозид, соединенный с фосфатными группами - . А сами нуклеозиды построены соответственно из остатка углевода - пентозы и гетероциклического основания. В ДНК углеводные остатки представлены 2-дезоксирибозой. Связь между углеводным остатком и гетероциклическим основанием в нуклеозиде осуществляется через атом азота в основании (N-гликозидная связь). Еще в 1938 г. предположили, что плоскости оснований перпендикулярны оси ДНК. В 1947 г. это подтвердил рентгеноструктурный анализ и было сделано открытие, что азотистые основания связываются друг с другом водородными связями. Водородные связи слабее ковалентных примерно в 50 раз. Чтобы спираль была устойчивой, нужны, по крайней мере, две связи между двумя нуклеотидами (комплементарными основаниями) (рис. 6.2).

Рисунок 6.2. Строение нуклеиновых кислот

К началу 50-х годов накопилось довольно много данных по строению ДНК, и в 1953 г. появилась знаменитая ныне модель Уотсона-Крика, построенная с помощью рентгеноструктурных данных Уилкинза. В 1962 г. эта работа была удостоена Нобелевской премии. Уотсон и Крик строили молекулярные модели, сверяя их с рентгенограммой.

Как уже упоминалось, нуклеиновые кислоты, как и белки, являются биополимерами. Поэтому аналогично в понятие первичной структуры ДНК входит последовательность чередования мономерных звеньев в цепи. В клетке межнуклеотидные связи в ДНК расщепляются нуклеазами - обширным классом ферментов, представители которого различаются по механизму действия и специфичности. Среди нуклеаз особое значение имеют эндонуклеазы рестрикции (рестриктазы). Эти ферменты узнают в молекулах ДНК нуклеотидные последовательности из 4, 5, 6 остатков и поэтому расщепляют любую ДНК на небольшое число строго определенных фрагментов, состоящих из таких остатков. Сейчас изучение структуры ДНК не обходится без использования рестриктаз.

При повышении температуры до определенного уровня двойная спираль ДНК расплетается. Такой процесс называется плавлением двойной спирали. Процесс плавления ДНК - это процесс ее денатурации.

В молекулярной биологии используется способность денатурированных ДНК ренатурировать с восстановлением исходной двуспиральной структуры. Эта способность лежит в основе метода молекулярной гибридизации нуклеиновых кислот, который позволяет выявить степень сходства различных ДНК (для их идентификации). Существует еще понятие “отжиг” ДНК. Что это такое? Плавление спиральной структуры ДНК не сопровождается разрывом всех водородных связей и полным расхождением нитей ДНК. Если быстро охладить раствор ДНК, нагретый до какой-либо температуры в пределах кривой плавления спиралей, то ренатурация проходит моментально. Этот процесс и называют “отжигом”.

Каковы же характерные отличия РНК от ДНК по структуре?

♦ В РНК углевод пентоза представлен рибозой, а не 2-дезоксирибозой.

♦ Азотистые основания пурины (бициклы) в РНК представлены аденином и гуанином, как в ДНК, а пиримидины (моноциклы) цитозином и урацилом. Таким образом, в молекуле РНК вместо тимина (5-метилурацила) присутствует урацил.

♦ Кроме того, чаще всего молекулы РНК - это одиночные полинуклеотидные цепи. Поэтому в молекулах РНК количество аденина не обязательно равно количеству урацила, а количество гуанина только случайно может быть равно количеству цитозина.

♦ 2-ОН группа рибозы в отличие от дезоксирибозы делает РНК чувствительной к действию щелочей.

Первичная структура ДНК и РНК ѕ это порядок чередования нуклеотидов в полимере.

Пространственная организация макромолекул ДНК и РНК описывается структурами двух уровней: вторичной и третичной. Во вторичной и третичной структурах ДНК и РНК есть существенные различия. В отличие от ДНК спирализация полирибонуклеотидной цепи осуществляется только в пределах одной молекулы. Исключение составляют вирусные РНК. Характерной особенностью вторичной структуры РНК является то, что спирализовано примерно 50% полинуклеотидной цепи ее молекулы. Что касается третичной структуры, то в зависимости от условий среды РНК может существовать в виде клубка или в виде компактной палочки.