Молекулярна структура нуклеїнових кислот та їх значення для передачі інформації в живих системах

Нуклеїнова кислота (від лат. nucleus — ядро) — високомолекулярне органічне з'єднання, біополімер (полінуклеотид), утворений залишками нуклеотидів. Нуклеїнові кислоти ДНК и РНК присутні в клітинах всіх живих організмів и виконують важливі функції з зберігання, передачі та реалізації спадкової інформації.

Будова молекули ДНК

Макромолекула ДНК — це два довгі полімерні ланцюги, що складаються з мономерів дезоксирибонуклеотидів, тісно з'єднаних між собою. Нитки ДНК з'єднуються водневими зв’язками між азотистими основами двох ланцюгів і утворюють подвійну спіраль ДНК. Таку модель будови ДНК запропонували в 1953 р. Дж. Уотсон і Ф. Крік. Пуринові та піримідинові основи взаємодіють одна з одною. Аденін одного ланцюга двома водневими зв’язками з'єднується з тиміном іншого ланцюга, а гуанін трьома водневими зв’язками з цитозином. Таке сполучення азотистих основ забезпечує міцний зв’язок обох ланцюгів. Два полінуклеотидні ланцюги ДНК антипаралельні. Тобто, 5'-кінець одного ланцюга з'єднаний із З'-кінцем іншого, і навпаки. Генетична інформація записана послідовністю нуклеотидів у напрямку від 5'-кінця до З'-кінця. Така нитка називається «змістовною», саме тут розташовані гени (матричний ланцюг). Другий ланцюг у напрямку 3'-5' вважається «анти-змістовним». Він необхідний як «еталон» збереження генетичної інформації і набуває значення у процесах реплікації та репарації. Два довгі антипаралельні полімерні ланцюги, що складаються із дезоксирибонуклеотидів, міцно з'єднані між собою водневими зв’язками. В результаті цього утворюється подвійна спіраль закручена навколо центральної осі. Рентгеноструктурний аналіз показав, що діаметр подвійної спіралі складає 2 нм, відстань між двома завершеними витками 3,4 нм. У кожний виток входить 10 пар нуклеотидів. Відстань між сусідніми основами складає 0,34 нм.

Нуклеотиди. ДНК — це полімерна молекула, мономерами в якій є нуклеотиди. Нуклеотид складається з: 1) азотистої основи; 2) моносахариду дезоксирибози (в нуклеотидах РНК — рибози); 3) залишку фосфорної кислоти. Азотисті основи бувають двох типів: пуринові - аденін (А) і гуанін (Г) і піримідинові - тимін (Т) і цитозин (Ц).

До складу молекули ДНК входять чотири типи нуклеотидів: дезоксиаденозин-монофосфат (дАМФ), Дезоксигуанін-монофосфат (дГМФ), дезокситимідин-монофосфат (дТМФ), дезоксицитозин-моно-фосфат (дЦМФ). Сполучення нуклеотидів у молекулі ДНК відбувається в результаті взаємодії фосфату одного нуклеотиду з гідроксильною групою дезоксирибози іншого. В результаті утворюється фосфодиефірний зв’язок, що об'єднує нуклеотиди в довгий ланцюжок. Скелет ланцюга складається з молекул фосфату і пентоз, що чергуються. Синтез полінуклеотидного ланцюга відбувається за участю ферменту ДНК-полімерази. Цей фермент приєднує фосфатну групу одного нуклеотиду до гідроксильної групи дезоксирибози наступного.

Комплементарність пар основ. Два полінуклеотидні ланцюги ДНК не є ідентичними, але вони комплементарні один одному. Це пов’язано із строгою відповідністю основ одного ланцюга основам іншого. Відстань між двома ланцюгами ДНК — 2 нм, що дозволяє вмістити тільки одну пару А-Т або Г-Ц, які відповідають цим розмірам. Тільки аденін і тимін, а також гуанін і цитозин мають відповідні просторові структури для утворення водневих зв’язків. Концепція специфічного зв’язування пар основ свідчить, що аденін в одному ланцюгу повинен відповідати тиміну в іншому, а гуанін повинен мати навпроти себе цитозин в іншому ланцюгу. Таким чином, два ланцюги ДНК комплементарні один одному.

Колінеарність (від лат. collineare — мітити, направляти) — властивість, що зумовлює відповідність між послідовностями триплетів нуклеотидів (кодонів) нуклеїнових кислот і амінокислот поліпептидних ланцюгів. Тобто, послідовність амінокислот білка, в якій відповідні кодони розташовуються в гені.

Це означає, що положення кожної амінокислоти в поліпептидному ланцюгу білка залежить від положення відповідного триплету в гені. Генетичний код вважається колінеарним, якщо кодони нуклеїнових кислот і відповідні їм амінокислоти білка розташовані в однаковому лінійному порядку.

Явище колінеарності доведено експериментально. Так, встановлено, що серпоподібноклітинна анемія, за якої порушена будова молекули гемоглобіну, зумовлена зміною одного нуклеотиду в його гені, що призводить до заміни однієї амінокислоти на іншу. Гіпотеза про те, що послідовність нуклеотидів у гені.

визначає послідовність амінокислот білка, була висунута Г. А. Гамовим (1954). Дані про колінеарність генів і поліпептидів підтвердили її. Завдяки концепції колінеарності можна визначити порядок нуклеотидів усередині гена і в інформаційній РНК, якщо відомий амінокислотний склад поліпептидів, і навпаки, визначивши склад нуклеотидів ДНК, можна передбачити амінокислотний склад білка.

Цей принцип використовується в методах молекулярної біології. Із цієї концепції видно, що зміна порядку нуклеотидів усередині гена (його мутація) призводить до зміни амінокислотного складу білка.

Правила Е. Чаргаффа. Вивчаючи хімічний склад ДНК в 1950 році, Ервін Чаргафф сформулював важливі положення щодо структури ДНК:

І. Молярна частка пуринів (аденіну — А і гуаніну — Г) дорівнює молярній частці піримідинів (цитозину — Ц і тиміну — Т):

А+Г=Ц+Т, або А+Г/Ц+Т=1

II. Кількість аденіну і цитозину дорівнює кількості гуаніну і тиміну:

А+Ц=Г+Т, або А+Ц/Г+Т=1

III. Кількість аденіну дорівнює кількості тиміну, а кількість гуаніну дорівнює кількості цитозину:

А=Т, або А/Т=1, Г=Ц, або Г/Ц=1.

усередині гена (його мутація) призводить до зміни амінокислотного складу білка.

IV. Відношення суми молярних концентрацій Г+Ц до суми молярних концентрацій А+Т у різних видів значно змінюється: Г+Ц/А+Т названо коефіцієнтом специфічності.

Для бактерій коефіцієнт специфічності дорівнює 0,4552,8, для вищих рослин, тварин і людини — 0,45−0,94.

V. Існують види ДНК, в яких А+Т > Г+Ц (АТ-тип) та ДНК, в яких А+Т<�Г+Ц (ГЦ-тип). АТ-тип ДНК характерний для вищих рослин, тварин і людини. ГЦ-тип властивий грибам, бактеріям, вірусам.

Ці правила є основою встановлення хімічної і фізичної природи ДНК, просторової структури молекули, а також механізму генетичного коду.

Видова специфічність ДНК.

За співвідношенням (А+Т) і (Г+Ц) представники різних видів різняться між собою, причому у тварин переважає пара А+Т, а у мікроорганізмів співвідношення (А+Т) і (Г+Ц) однакове. Ці явища використовують як один із генетичних критеріїв визначення виду. У цьому полягає індивідуальна специфічність ДНК.

Просторова організація ДНК. Молекула ДНК може існувати в різній конфігурації залежно від навколишніх умов. Відомо декілька форм ДНК: а) В-форма — має стандартну структуру відповідно до моделі молекули Уотсона і Кріка і в нормальних фізіо-огічних умовах є основним структурним типом;

б) А-форма — виявлена у зневодненому середовищі, при високому вмісті калію і натрію. Така ДНК має дещо змінену спіралізацію; в) С-форма — має менше основ на один виток, а значить інші - фізичні характеристики; г) Z-форма — на відміну від інших форм, закручена вліво. Деякі форми при зміні фізіологічних умов можуть переходити одна в одну, що додатково регулює роботу генів. Знання структури ДНК дозволило зрозуміти суть багатьох молекулярно-генетичних процесів.

Отже, в молекулі ДНК можна виділити первинну структуру — послідовність нуклеотидів у ланцюгу, вторинну структуру — два комплементарні антипаралельні ланцюги, з'єднані водневими зв’язками, і третинну структуру — тривимірну спіраль. Зазначимо, що: а) геометрія спіралі ДНК залежить від послідовності нуклеотидів; б) значна частина ДНК не кодує білків або РНК; в) кожний ген — це складна функціонально-активна одиниця, призначена для регульованого синтезу РНК.