ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ.

Лекция-12

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)

 

	Нуклеотидный	состав, к	ЛОЛ. %	Коэффициент
Объект					специфичности
	A	Г	Ц	Т	А + Т/Г + Ц
Человек	30,9	19,9	19,8	29,4	1,52
Животные:
овиа	29,3	21,4	21,0	28,3	1,36
курица	28,8	20,5	21,5	29,2	1,38
Растения, грибы, зерна пшеницы	27,3	22,7	22,8	27,1	1,19
Дрожжи	31,3	18,7	17,1	32,9	1,79
Aspergillus niger	25,0	25,1	25,0	24,9	1,00
Бактерии:
Е. coli	24,7	26,0	25,7	23,6	0,93
Staphylococcus ayreus	30,8	21,0	19,0	29,2	1,50
Clostridium perfnngens	36,9	14,0	12,8	36,3	2,70
Brucella abortus	21,0	29,0	28,9	21,1	0,72
Sarcina lutea	13,4	37,1	37,1	12,4	0,35

 

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.