Химический состав и структура нуклеиновых кислот.

План: СТРОЕНИЕ И ТИПЫ РНК.

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД. СИНТЕЗ БЕЛКА В КЛЕТКЕ

Нуклеиновые кислоты впервые открыл И. Ф. Мишер в 1868 г. Он выделил из ядер клеток особое вещество кислотной природы и назвал его нуклеином. Впоследствии ему дали название «нук­леиновая кислота». Было обнаружено два типа нуклеиновых кис­лот. Их назвали в зависимости от углеводного компонента, вхо­дящего в состав. Нуклеиновую кислоту, в состав которой входит углевод дезоксирибоза, назвали дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК), а в состав которой входит углевод рибоза, — рибонуклеиновой кислотой (РНК)- В период с 1900 по 1932 г. был определен химический состав нуклеиновых кислот. Они включают следую­щие компоненты:

РНК

Аденин, гуанин Цитозин, урацил Рибоза

ДНК

Аденин, гуанин Цитозин, тимин Дезоксирибоза

Пуриновые основания Пиримидиновые основания Углеводный компонент

Обе нуклеиновые кислоты включают остатки фосфорной кисло­ты. Различие заключается в том, что в состав РНК входит азотистое основание урацил вместо тимина и рибоза вместо дезоксирибозы.

В 1936 г. на кафедре биохимии растений Московского уни­верситета А. Н. Белозерский с И. И. Дубровской впервые выде­лили ДНК в чистом виде из растительного материала. К середи­не 40-х годов было выяснено, что ДНК и РНК одновременно присутствуют в каждом живом организме.

В конце 40-х — начале 50-х годов при изучении нуклеиновых кислот стали использовать новые физические и химические мето­ды исследования. В 1950 г. Э. Чаргафф установил правила нукле-отидных отношений, лежащие в основе строения всех ДНК.

Правила Чаргаффа заключаются в том, что в ДНК содержание аденина равно содержанию тимина (А = Т), а содержание гуанина равно содержанию цитозина (Г = Ц), отсюда А + Г/Т + Ц = 1; сумма пуриновых нуклеотидов равна сумме пиримидиновых нуклео-тидов. В соответствии с этим правилом нуклеотидный состав разных организмов может варьировать только по величине А + Т/Г+ Ц.

К 1952 г. Р. Франклин и М. Уилкинс добились получения высококачественных рентгенограмм ДНК, показавших, что она имеет форму спирали и двойственную структуру.

В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик, опираясь на данные рентге-ноструктурного анализа и правила Чаргаффа, установили струк­туру ДНК. Согласно их модели молекула ДНК имеет двойную спираль, состоящую из двух полинуклеотидных цепей с общей осью (рис. 17). Диаметр двойной спирали ДНК равен 2 нм, а расстояние между витками 3,4 нм. На каждый виток спирали приходится 10 пар нуклеотидов, отсюда расстояние между азо­тистыми основаниями равно 0,34 нм.

Структурными единицами полинуклеотидных цепей являются нуклеотиды. В состав нуклеотида входят: одно из азотистых ос­нований — пуриновое (аденин или гуанин) или пиримидиновое (тимин или цитозин), дезоксирибоза, фосфатный остаток. Эти компоненты соединены друг с другом в следующем порядке: азотистое основание — дезоксирибоза — фосфатный остаток. Со­единение одного из оснований с дезоксирибозой приводит к образованию нуклеозида. В случае присоединения фосфатной группы к углеводной части нуклеозида образуется нуклеотид.

Дезоксирибоза в нуклеотидах соединяется с основаниями гли-козидной связью, а с фосфорной кислотой — эфирными связя­ми. Следовательно, по химическому составу любой нуклеотид — это фосфорный эфир нуклеозидов. В соответствии с этим нукле-отиды называются дезоксиадениловой, двзоксигуаниловой, дезокси-цитидиловой и тимидиловой кислотами.

Наряду с главными азотистыми основаниями ДНК содержит также метилированные основания, такие, как 5-метилцитозин, 5-оксиметилцитозин и др. У животных количество 5-метилцито-зина в ДНК обычно не превышает 1,5—2 %.

В каждой из цепей ДНК нуклеотиды последовательно соедине­ны друг с другом с помощью остатка фосфорной кислоты и моле­кулы дезоксирибозы. Дезоксирибоза связывается с одной молеку­лой фосфорной кислоты через углерод в положении 3', а с дру­гой — через углерод 5', образуя углеводно-фосфатный остов (рис. 18).

Обе цепи в молекуле ДНК имеют противоположную поляр­ность. Это означает, что межнуклеотидная связь в одной цепи имеет направление 5'-*3', а в другой 3'-»5'.

Азотистые основания нуклеотидов обеих цепей ДНК заключены внутри между витками спирали и соединены водородными связями. В соответствии с правилами Чаргаффа аденин одной цепи связан только с тимином другой цепи, а гуанин — только с цитозином. Пара аденин — тимин соединена двумя водородными связями, а пара гуанин — цитозин — тремя. Такой по­рядок соответствия азотистых осно­ваний (А **Г и Г **Ц) называется

комплементарностью, и, следовательно, цепи в ДНК комплементарны, они взаимно дополняют друг друга.

Углеводно-фосфатный остов по всей длине во всех молекулах ДНК имеет однотипную структуру и не может нести генетической информа­ции. В противоположность этому рас-

Рис. 17. Схема строения молекулы ДНК из

двух спирально закрученных ценей (по Д. Уотсо-

ну в Ф, Кряку) (Цифры указывают на расстоя-

ним в А между разными точками молекулы)

Рис. 18. Схема отрезка двухцепочной молекулы ДНК (по С. М. Гершензону)

положение пуриновых и пиримидиновых оснований нуклеотидов вдоль цепи ДНК очень изменчиво и характерно для каждого данного типа молекул ДНК. Значит, наследственная информация зашифрована различной последовательностью оснований.

Нуклеотидный состав ДНК значительно варьирует в зависи­мости от принадлежности организма к той или иной системати­ческой группе (табл. 7). Специфичность ДНК выражается соот­ношением А + Т/Г + Ц, получившим название коэффициента ви­довой специфичности.

7. Нуклеотидный состав ДНК из различных источников (по А. Ленинджеру, 1976)

В ДНК животных наблюдается избыток А + Т по отношению к Г + Ц. У грибов и бактерий встречаются формы как богатые А + Т, так и с преобладанием Г + Ц, в то же время есть близкие по коэффициенту специфичности к животным. Это говорит о том, что изменчивость в расположении оснований уже достаточ­на для того, чтобы обеспечить различия между генами этих организмов.

Молекулы ДНК состоят примерно из 2-10³—1-Ю⁸ и более

нуклеотидов и имеют большую относительную молекулярную массу.

Репликация (удвоение) ДНК. ДНК находится в хромосомах, и репликация ее происходит перед каждым удвоением хромосом и деле­нием клетки. Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили схему удвоения ДНК, согласно которой спиралевидная двухцепочная ДНК снача­ла раскручивается (расплетается) вдоль оси. При этом водородные связи между азотистыми основаниями рвутся и цепи расходятся. Одновременно к нуклеотидам каждой цепи пристраиваются ком­плементарные азотистые основания нуклеотидов второй цепи, где против аденина встает тимин, против тимина — аденин, против гуанина — цитозин и т. д., которые с помощью ферментов ДНК-полимераз связываются в новые полинуклеотидные цепи. В ре­зультате из одной образуются две новые дочерние молекулы ДНК. Каждая дочерняя молекула, наследуя структуру одной цепи мате­ринской молекулы, строго сохраняет специфичность заключенной в ней информации. Поскольку матрицей для репликации служит одна из двух цепей молекулы, такой тип синтеза ДНК носит название полуконсервативной ауторепродукции.

Дальнейшие исследования показали, что репликация бактери­альных и других молекул ДНК начинается в определенной точке старта. В хромосомах эукариот обнаружено по нескольку таких начальных точек. Цепи ДНК в точке инициации репликации разъединяются под влиянием особого белка геликазы (рис. 19). Возникают одноцепочные участки ДНК, которые становятся матрицами для репликации-притяжения комплементарных нук­леотидов. Эти одноцепочные участки связываются с особыми белками, которые их стабилизируют (препятствуют их компле­ментарному взаимодействию). Особый фермент топоизомераза (у прокариот назьшается ДНК-гиразой) способствует расщеплению спирали ДНК в области репликационной вилки.

Репликация на материнской цепи, идущей от точки старта в направлении 5'->3', идет в виде сплошной линии. Эта цепь полу­чила название лидирующей. Синтез на второй цепи 3'->5' идет отдельными фрагментами в противоположном направлении (тоже 5'->3')- Эта цепь получила название запаздывающей. Фрагментами являются небольшие участки ДНК (у кишечной палочки около 2000 нуклеотидов, у эукариот около 200). Они называются по

Рис. 19. Синтез лидирующей (вверху) и запаздывающей (внизу) цеией ДНК в вилке репликации (по В. Alberts, R. Sternglanz)

имени открывшего их японского ученого Р. Оказаки. После за­вершения синтеза фрагменты Оказаки соединяются при помощи фермента ли газы в общую полинуклеотидную цепочку. У эукари­от репликация ДНК и соединение различных ее репликационных участков происходят в фазе S-периода интерфазы. После заверше­ния этой фазы в каждой хромосоме имеется две молекулы ДНК, которые становятся двумя идентичными хроматидами.

Структура, способная к репликации (хромосома, плазмида, вирусный геном), называется репликоном.

Самоудвоение молекул ДНК — основа устойчивости генети­ческой информации данного вида и обеспечивает материальную непрерывность наследственного вещества клетки.

СТРОЕНИЕ И ТИПЫ РНК

Многочисленными исследованиями было установлено, что синтез белка в клетке происходит не в ядре, где находится ДНК, а в цитоплазме. Следовательно, сама ДНК не может слу­жить матрицей для синтеза белка. Вставал вопрос о молекуляр­ных механизмах переноса информации, закодированной в ДНК (генах), из ядра в цитоплазму к месту синтеза белка. Сравнитель­но недавно выяснилось, что молекулами, ответственными за считывание и перенос информации, а также за преобразование этой информации в последовательность аминокислот в структуре белковой молекулы, являются рибонуклеиновые кислоты (РНК). Молекулы рибонуклеиновой кислоты имеют одну полинуклео­тидную цепь, Нуклеотиды молекулы РНК называются адениловой гуаниловой, уридиловой и цитцдиловой кислотами. На долю РНК приходится около 5—10 % общей массы клетки.

Существует три основных вида РНК: информационная (иРНК), или матричная (мРНК), рибосомная (рРНК) и транспортная (тРНК). Они различаются по величине молекул и функциям. Все типы РНК синтезируются на ДНК при участии ферментов — РНК-полимераз. Информационная, или матричная, РНК состав­ляет 2—3 % всей клеточной РНК, рибосомная — 80—85, транс­портная — около 15 %.

Информационная РНК (иРНК) впервые была обнаружена в 1957 г. Роль ее в том, что она считывает наследст­венную информацию с участка ДНК (гена) и в форме скопиро­ванной последовательности азотистых оснований переносит ее в рибосомы, где происходит синтез определенного белка. Каждая из молекул иРНК по порядку расположения нуклеотидов и по размеру соответствует гену в ДНК, с которого она была транс­крибирована. В среднем иРНК содержит 1500 нуклеотидов (75— 3000). Каждый триплет (три нуклеотида) на иРНК называется кодоноц. От кодона зависит, какая аминокислота встанет в дан­ном ме*сте при синтезе белка.' Информационная РНК может обладать относительной молекулярной массой от 250 до 1000 тыс. Д (дальтон).

Существует большое разнообразие иРНК как в отношении состава, так и величины молекулы. Это связано с тем, что в клетке находится большое количество разнообразных белков, а строение каждого белка обусловлено своим геном, с которого иРНК считала информацию.

Транспортная РНК (тРНК) обладает относительно невысокой молекулярной массой порядка 24—29 тыс. Д и содер­жит в молекуле от 75 до 90 нуклеотидов. До 10 % всех нуклеоти­дов тРНК приходится на долю минорных оснований, что, по-ви­димому, защищает ее от действия гидролитических ферментов.

Роль тРНК заключается в том, что они переносят аминокис­лоты к рибосомам и участвуют в процессе синтеза белка. Каждая аминокислота присоединяется к определенной тРНК. Ряд ами­нокислот обладает более одной тРНК. К настоящему времени обнаружено более 60 тРНК, которые отличаются между собой первичной структурой (последовательностью оснований). Вто­ричная структура у всех тРНК представлена в виде клеверного листа с двухцепочным стеблем и тремя одноцепочными петлями (рис. 20). На конце одной из цепей находится акцепторный участок — триплет ЦЦА, к аденину которого присоединяется специфическая аминокислота. Аминокислота присоединяется к тРНК под действием фермента аминоацил-тРНК-синтетазы, ко­торый «узнает» одновременно и аминокислоту, и тРНК. В голов­ке средней петли тРНК находится антикодон — триплет, состоя­щий из трех нуклеотидов. Антикодон комплементарен опреде­ленному кодону мРНК. При помощи антикодона тРНК «узнает» соответствующий кодон в иРНК, т. е. определяет место, куда

Рис, 20. Вторичная структура тРНК (по Ричу п Киму)

должна быть поставлена данная аминокислота в синтезируемой молекуле белка.

Предполагается, что петли тРНК, не вовлеченные в связыва­ние и выполнение декодирующей функции аминокислоты, ис­пользуются для связывания тРНК с рибосомой и со специфичес­кой аминоацил-тРНК-синтетазой.

Рибосомная РНК (рРНК). Размер рибосомных РНК эукариот составляет 5—28S (S — единица Сведберга, характеризующая скорость осаждения, седиментации частиц при ультрацентрифугировании), молекулярная масса 3,5-10⁴— 1,510^ Д. Они содержат 120—3100 нуклеотидов. Рибосомная РНК накапливается в ядре, в ядрышках. В ядрышки из цитоплазмы транспортируются рибосомные белки, и там происходит спонтанное образование субчастиц рибосом путем объединения белков с соответствующими рРНК. Субчастицы рибосомы вместе или врозь транспортируются через поры ядерной мембраны в цитоплазму.

Рибосомы представляют собой органеллы величиной 20— 30 нм. Они построены из двух субчастиц разного размера и формы. На определенных стадиях белкового синтеза в клетке происходит разделение рибосом на субчастицы. Рибосомная РНК служит как бы каркасом рибосом и способствует первоначальному связыванию иРНК с рибосомой в процессе биосинтеза белка. Суб­частицы обозначают у эукариот как 60 и 40S. Целые рибосомы

осаждаются при 80S. 40£-субчастица содержит 18S РНК и при­мерно 30 белков; бОБ-субчастица содержит 28S РНК, 5S РНК и 5,8 S РНК. В состав этой частицы входит примерно 50 различных белков. У прокариот функциональная рибосома имеет константу седиментации 70S. 708-рибосомы состоят из малой (30S) и боль­шой (50S) субчастиц. 808-рибосомы содержат примерно равное количество рРНК и белка, у 70S-pn6ocoM соотношение РНК и белка составляет 2:1. Число рибосом в клетке прокариот равно примерно 10⁴, у эукариот — около 10⁵. В период синтеза белка рибосомы могут объединяться в полисомы, образуя более высоко­организованные комплексы.