Химия наследственности. Нуклеиновые кислоты. ДНК. РНК. Репликация ДНК и передача наследственной информации

нуклеотидилатов - смешанных ангидридов аминокислот и нуклеотидов. Но это

уже следующая сказка... ("И Шахразаду застигло утро, и она прекратила

дозволенные речи".)

3. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

3.1. Состав нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты - это биополимеры, макромолекулы которых состоят

из многократно повторяющихся звеньев - нуклеотидов. Поэтому их называют

также полинуклеотидами. Важнейшей характеристикой нуклеиновых кислот

является их нуклеотидный состав. В состав нуклеотида - структурного звена

нуклеиновых кислот - входят три составные части:

азотистое основание - пиримидиновое или пуриновое. В нуклеиновых кислотах

содержатся основания 4-х разных видов: два из них относятся к классу

пуринов и два – к классу пиримидинов. Азот, содержащийся в кольцах, придает

молекулам основные свойства.

моносахарид - рибоза или 2-дезоксирибоза. Сахар, входящий в состав

нуклеотида, содержит пять углеродных атомов, т.е. представляет собой

пентозу. В зависимости от вида пентозы, присутствующей в нуклеотиде,

различают два вида нуклеиновых кислот – рибонуклеиновые кислоты (РНК),

которые содержат рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие

дизоксирибозу.

остаток фосфорной кислоты. Нуклеиновые кислоты являются кислотами потому,

что в их молекулах содержится фосфорная кислота.

Нуклеотид - фосфорный эфир нуклеозида. В состав нуклеозида входят два

компонента: моносахарид (рибоза или дезоксирибоза) и азотистое основание.

В конце 40-х — начале 50-х годов, когда появились такие методы

исследования, как хроматография на бумаге и УФ-спектроскопия, были

проведены многочисленные исследования нуклеотидного состава НК (Чаргафф, А.

Н. Белозерский). Полученные данные позволили решительно отбросить старые

представления о нуклеиновых кислотах, как о полимерах, содержащих

повторяющиеся тетрануклеотидные последовательности (так называемая

тетрануклеотидная теория строения ПК, господствовавшая в 30—40-е годы), и

подготовили почву для создания современных представлений не только о

первичной структуре ДНК и РНК, но и об их макромолекулярной структуре и

функциях.

Метод определения состава ПК основан на анализе гидролизатов,

образующихся при их ферментативном или химическом расщеплении. Обычно

используются три способа химического расщепления НК. Кислотный гидролиз в

жестких условиях (70%-ная хлорная кислота, 100°С, 1ч или 100%-ная

муравьиная кислота, 175 °C, 2 ч), применяемый для анализа как ДНК, так и

РНК, приводит к разрыву всех N-гликозидных связей и образованию смеси

пуриновых и пиримидиновых оснований. При исследовании РНК могут

использоваться как мягкий кислотный гидролиз (1 н. соляная кислота, 1OO°C,

1 ч), в результате которого образуются пуриновые основания и пирамидиповые

нуклеозид-2'(3')-фосфаты, так и щелочной гидролиз (0,3 н. едкий кали, 37

°С, 20 ч), дающий смесь нуклеозид -2' (3') -фосфатов.

Поскольку в НК число нуклеотидов каждого вида равно числу

соответствующих оснований, для установления нуклеотидного состава данной НК

достаточно определить количественное соотношение оснований. Для этой цели

из гидролизатов с помощью хроматографии на бумаге или электрофореза (когда

в результате гидролиза получают нуклеотиды) выделяют индивидуальные

соединения. Каждое основание независимо от того, связано оно с углеводным

фрагментом или нет, обладает характерным максимумом поглощения в УФ,

интенсивность которого зависит от концентрации. По этой причине, исходя из

УФ-спектров выделенных соединений, можно определить количественное

соотношение оснований, а следовательно, и нуклеотидный состав исходной НК.

При количественном определении минорных нуклеотидов, особенно таких

неустойчивых, как дигидроуридиловая кислота, пользуются ферментативными

методами гидролиза (ФДЭ змеиного яда и селезенки).

Использование описанных выше аналитических приемов показало, что ПК

различного происхождения состоят за редким исключением из четырех основных

нуклеотидов и что содержание минорных нуклеотидов может меняться в

значительных пределах.

Как будет показано далее, при изучении нуклеотидного состава ДНК были

получены данные, которые помогли установить ее пространственную структуру.

3.2. Значение нуклеиновых кислот

Значение нуклеиновых кислот очень велико. Особенности их химического

строения обеспечивают возможность хранения, переноса в цитоплазму и

передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых

молекул, которые синтезируются в каждой клетке. Белки обусловливают

большинство свойств и признаков клеток. Понятно поэтому, что стабильность

структуры нуклеиновых кислот - важнейшее условие нормальной

жизнедеятельности клеток и организма в целом. Любые изменения строения

нуклеиновых кислот влекут за собой изменения структуры клеток или

активности физиологических процессов в них, влияя таким образом на

жизнеспособность.

Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК.

РНК (рибонуклеиновая кислота), так же как ДНК, представляет

собой полимер мономерами которого служат нуклеотиды. Азотистые основания те

же самые, что входят в состав ДНК (аденин, гуанин, цетозин); четвертое -

урацил - присутствует в молекуле РНК вместо тимина. Нуклеотиды РНК содержат

вместо дизоксирибозы другую пентозу - рибозу.

4. ДНК

4.1. Состав ДНК

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) - биологический полимер,

состоящий из двух полинуклеотидных цепей, соединенных друг с другом.

Мономеры, составляющие каждую из цепей ДНК, представляют собой сложные

органические соединения, включающие одно из четырех азотистых оснований:

аденин (А) или тимин (Т), цитозин (Ц) или гуанин (Г); пятиатомный сахар

пентозу - дезоксирибозу, по имени которой получила название и сама ДНК, а

также остаток фосфорной кислоты. Эти соединения носят название нуклеотидов.

В каждой цепи нуклеотиды соединяются путем образования ковалентных связей

между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты последующего

нуклеотида. Объединяются две цепи в одну молекулу при помощи водородных

связей, возникающих между азотистыми основаниями, входящими в состав

нуклеотидов, образующих разные цепи.

Исследуя нуклеотидный состав ДНК различного происхождения, Чаргафф

обнаружил следующие закономерности.

1. Все ДНК независимо от их происхождения содержат одинаковое число

пуриновых и пиримидиновых оснований. Следовательно, в любой ДНК на каждый

пуриновый нуклеотид приходится один пиримидиновый.

2. Любая ДНК всегда содержит в равных количествах попарно аденин и

тимин, гуанин и цитозин, что обычно обозначают как А=Т и G=C. Из этих

закономерностей вытекает третья.

3. Количество оснований, содержащих аминогруппы в положении 4

пиримидинового ядра и 6 пуринового (цитозин и аденин), равно количеству

оснований, содержащих оксо-группу в тех же положениях (гуанин и тимин), т.

е. A+C=G+T. Эти закономерности получили название правил Чаргаффа. Наряду с

этим было установлено, что для каждого типа ДНК суммарное содержание

гуанина и цитозина не равно суммарному содержанию аденина и тимина, т. е.

что (G+C)/(A+T), как правило, отличается от единицы (может быть как больше,

так и меньше ее). По этому признаку различают два основных типа ДНК: А(Т-

тип с преимущественным содержанием аденина и тимина и G(C-тип с

преимущественным содержанием гуанина и цитозина.

Величину отношения содержания суммы гуанина и цитозина к сумме

содержания аденина и тимина, характеризующую нуклеотидный состав данного

вида ДНК, принято называть коэффициентом специфичности. Каждая ДНК имеет

характерный коэффициент специфичности, который может изменяться в пределах

от 0,3 до 2,8. При подсчете коэффициента специфичности учитывается

содержание минорных оснований, а также замены основных оснований их

производными. Например, при подсчете коэффициента специфичности для ЭДНК

зародышей пшеницы, в которой содержится 6% 5-метилцитозина, последний

входит в сумму содержания гуанина (22,7%) и цитозина (16,8%). Смысл правил

Чаргаффа для ДНК стал понятным после установления ее пространственной

структуры.

4.2. Макромолекулярная структура ДНК

В 1953 г. Уотсон и Крик, опираясь на известные данные о конформаци

нуклеозидных остатков, о характере межнуклеотидной связи в ДНК и

закономерности нуклеотидного состава ДНК (правила Чаргаффа), расшифровали

рентгенограммы паракристаллической формы ДНК [так называемой В-формы,

образующейся при влажности выше 80% и при высокой концентрации противоионов

(Li+) в образце]. Согласно их модели, молекула ДНК представляет собой

правильную спираль, образованную двумя полидезоксирибонуклеотидными цепями,

закрученными относительно друг друга и вокруг общей оси. Диаметр спирали

практически постоянен вдоль всей ее длины и равен 1,8 нм (18 А).

[pic]

Макромолекулярная структура ДНК.

(а)—Модель Уотсона — Крика;

(6)—параметры спиралей В-, С- и Т-форм ДНК (проекции

перпендикулярно оси спирали);

(в)—поперечный разрез спирали ДНК в В-форме (заштрихованные

прямоугольники изображают пары оснований);

(г)—параметры спирали ДНК в А-форме;

(д)—поперечный разрез спирали ДНК в А-форме.

Длина витка спирали, который соответствует ее периоду идентичности,

составляет 3,37 нм (33,7 А). На один виток спирали приходится 10 остатков

оснований в одной цепи. Расстояние между плоскостями оснований равно, таким

образом, примерно 0,34 нм (3,4 А). Плоскости остатков оснований

перпендикулярны длинной оси спирали. Плоскости углеводных остатков

несколько отклоняются от этой оси (первоначально Уотсон и .Крик

предположили, что они параллельны ей).

Из рисунка видно, что углеводофосфатный остов молекулы обращен наружу.

Спираль закручена таким образом, что на ее поверхности можно выделить две

различные по размерам бороздки (их часто называют также желобками) —

большую, шириной примерно 2,2 нм (22 А), и малую —шириной около 1,2 нм

(12А). Спираль — правовращающая. Полидезоксирибонуклеотидные цепи в ней

антипараллельны: это означает, что если мы будем двигаться вдоль длинной

оси спирали от одного ее конца к другому, то в одной цепи мы будем

проходить фосфодиэфирные связи в направлении 3'(5', а в другой — в

направлении 5'(3'. Иными словами, на каждом из концов линейной молекулы ДНК

расположены 5'-конец одной и 3'-конец другой цепи.

Регулярность спирали требует, чтобы против остатка пуринового

основания в одной цепи находился остаток пиримидинового основания в другой

цепи. Как уже подчеркивалось, это требование реализуется в виде принципа

образования комплементарных пар оснований, т. е. остаткам аденина и гуанина

в одной цепи соответствуют остатки тимина и цитозина в другой цепи (и

наоборот).

Таким образом, последовательность нуклеотидов в одной цепи молекулы

ДНК предопределяет нуклеотидную последовательность другой цепи.

Этот принцип является главным следствием модели Уотсона и Крика,

поскольку он в удивительно простых химических терминах объясняет основное

функциональное назначение ДНК — быть хранителем генетической информации.

Заканчивая рассмотрение модели Уотсона и Крика, остается добавить, что

соседние пары остатков оснований в ДНК, находящейся в В-форме, повернуты

друг относительно друга на 36° (угол между прямыми, соединяющими атомы С1'

в соседних комплементарных парах).

4.3. Выделение дезоксирибонуклеиновых кислот

Живые клетки, за исключением сперматозоидов, в норме содержат

значительно больше рибонуклеиновой, чем дезоксирибонуклеиновой кислоты. На

методы выделения дезоксирибонуклеиновых кислот оказало большое влияние то

обстоятельство, что, тогда как рибонуклеопротеиды и рибонуклеиновые кислоты

растворимы в разбавленном (0,15 М) растворе хлористого натрия,

дезоксирибонуклеопротеидные комплексы фактически в нем нерастворимы.

Поэтому гомогенизированный орган или организм тщательно промывают

разбавленным солевым раствором, из остатка с помощью крепкого солевого

раствора экстрагируют дезоксирибонуклеиновую кислоту, которую осаждают

затем добавлением этанола. С другой стороны, элюирование того же остатка

водой дает раствор, из которого при добавлении соли выпадает

дезоксирибонуклеопротеид. Расщепление нуклеопротеида, который в основном

представляет собой солеподобный комплекс между полиосновными и

поликислотными электролитами, легко достигается растворением в крепком

солевом растворе или обработкой тиоцианатом калия. Большую часть белка

можно удалить либо добавлением этанола, либо эмульгированием с помощью

хлороформа и амилового спирта (белок образует с хлороформом гель). Широко

применялась также обработка детергентами. Позднее дезоксирибонуклеиновые

кислоты выделяли с помощью экстракции водными n-аминосалицилат — фенольными

растворами. При использовании этого метода были получены препараты

дезоксирибонуклеиновой кислоты, из которых одни содержали остаточный белок,

тогда как другие были фактически свободны от белка, что указывает на то,

что характер связи белок — нуклеиновая кислота различен в различных тканях.

Удобная модификация состоит в гомогенизировании животной ткани в 0,15 М

растворе фенолфталеиндифосфата с последующим добавлением фенола для

осаждения ДНК (свободной от РНК) с хорошим выходом.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты, каким бы способом они не выделялись,

представляют собой смеси полимеров различного молекулярного веса, за

исключением образцов, полученных из некоторых видов бактериофагов.

4.4. Фракционирование

Ранний метод разделения заключался в фракционной диссоциации гелей

дезоксирибонуклеопротеида (например, нуклеогистона) посредством экстракции

водными растворами хлористого натрия увеличивающейся молярности. Таким

путем препараты дезоксирибонуклеиновой кислоты были разделены на ряд

фракций, характеризующихся различным отношением содержания аденина с

тимином к сумме гуанина с цитозином, причем более легко выделялись фракции,

обогащенные гуанином и цитозином. Сходные результаты были получены при

хроматографическом отделении дезоксирибонуклеиновой кислоты от гистона,

адсорбированного на кизельгуре, с применением градиентного элюирования

растворами хлористого натрия. В улучшенном варианте этого метода очищенные

фракции гистона сочетались с n-аминобензилцеллюлозой с образованием

диазомостиков от тирозиновых и гистидиновых групп белка. Описано также

фракционирование нуклеиновых кислот на метилированном сывороточном

альбумине (с кизельгуром в качестве носителя). Скорость элюирования с

колонки солевыми растворами увеличивающейся концентрации зависит от

молекулярного веса, состава (нуклеиновые кислоты с высоким содержанием

гуанина с цитозином элюируются легче) и вторичной структуры

(денатурированная ДНК прочнее удерживается колонкой, чем нативная). Таким

способом из ДНК морского краба Cancer borealis выделен природный компонент

— полидезоксиадениловая-тимидиловая кислота. Фракционирование

дезоксирибонуклеиновых кислот проводилось также посредством градиентного

элюирования с колонки, наполненной фосфатом кальция.

4.5. Функции ДНК

В молекуле ДНК с помощью биологического кода зашифрована

Страницы: 1, 2, 3, 4