90-91

Биомолекулы. Нуклеиновые кислоты

Дезоксирибонуклеиновые кислоты

Биологическая функция нуклеиновых кислот (см. с. 234) основана главным образом на свойстве оснований образовывать специфически (комплементарно) связанные пары.

А. Спаривание оснований в ДНК

Первым свидетельством существования таких структур пocлyжил тот факт, что в каждом типе ДНК (DNA) содержится примерно одинаковое количество аденина и тимина. То же самое относится к гуанину и цитозину. Напротив, соотношение (аденин+тимин) / (гуанин+цитозин) в различных организмах варьирует. Предложенная в 1953 г. модель структуры ДНК позволила объяснить причину таких соотношений: интактная ДНК состоит из двух полидезоксинуклеотидных цепей. Каждое основание одной цепи связано с комплементарным ему основанием другой цепи водородными мостиками. При этом аденин комплементарен тимину, гуанин - цитозину. Таким образом, каждая пара состоит из одного пуринового и одного пиримидинового основания.

Комплементарность А и T, соответственно G и С, становится понятной, если рассмотреть возможные водородные мостики между основаниями. В качестве доноров (см. с. 14) выступают аминогруппы (аденина, цитозина, гуанина) и NН-группы гетероциклов (тимина и гуанина). Возможными акцепторами являются карбонильные группы (тимина, цитозина, гуанина) и атомы азота гетероциклов. Пара A-T может образовывать два, а пара G-C даже три линейных и поэтому особенно устойчивых мостика. Урацил, содержащийся в РНК вместо тимина, ведет себя при спаривании основании подобно тимину.

Б. Структура ДНК

Спаривание оснований, проиллюстрированное на схеме А, охватывает в молекуле ДНК миллионы звеньев. Конечно, это возможно только в том случае, если полярность обеих цепей различна, т.е. обе цепи имеют противоположные направления (см. с. 86). Кроме того, обе цепи должны быть закручены в виде двойной спирали. Из-за стерических ограничений, вызванных 2'-ОН-группой остатка рибозы, РНК не мoгyт образовывать структур, подобных двойной спирали. Поэтому РНК имеют менее регулярную структуру по сравнению с ДНК (см. с. 88).

Преобладающая в клетке конформация ДНК (так называемая В-ДНК) представлена схематически на схеме 1, а также на с. 92, в виде вандерваальсовой модели. На схеме 1 дезоксирибозофосфатный остов изображен в виде ленты. Основания (здесь указаны в виде полос) расположены внутри двойной спирали. Следовательно, эта область ДНК неполярна.

Напротив, внешняя сторона молекулы полярна и заряжена отрицательно за счет углеводных остатков и фосфатных групп остова. Цепи ДНК на протяжении всего тяжа образуют два желоба, которые носят названия 'малая бороздка' и 'большая бороздка'.

Так как обе цепи связаны только нековалентными взаимодействиями, двойная спираль при нагревании или инкубации в щелочном растворе легко распадается на отдельные цепи (денатурирует). При медленном охлаждении ранее неупорядоченные отдельные цепи благодаря спариванию оснований вновь образуют двойную спираль (молекула ренатурирует). Процессы де- и ренатурации играют важную роль в генной инженерии (см. сс. 254, 258).

В функциональном отношении две цепи ДНК не эквивалентны. Кодирующей цепью (матричной, смысловой) является та из них, которая считывается в процессе транскрипции (см. с. 240). Именно эта цепь служит матрицей для PHK. Некодирующая цепь (антисмысловая) по последовательности подобна РНК (при условии замены T на U). Общепринято давать структуру гена в виде последовательности некодирующей цепи ДНК в направлении 5'→3'. Если прочитать кодоны в этом направлении, то с помощью генетического кода (см. с. 244) можно воспроизвести аминокислотную последовательность белка в принятом порядке, от N- к С-концу.