В состав молекул НК входят атомы азота (15-16%), фосфора (8-10%), углерода, кислорода и водорода. С целью идентификации компонентов, входящих в состав НК, и их количественного определения ДНК и РНК подвергают
ферментном или чаще кислотного гидролиза, в результате чего обнаруживают пуриновые (в молекуле пурина шестичленного кольцо пиримидина и гетероцикл имидазола находятся в конденсированном состоянии, образуя бициклические производное) (аденин и гуанин) и пирими-динови (тимин, цитозин и урацил) азотистые основания, моносахара - пентозы (рибозу и дезоксирибозу) и фосфорную кислоту: Кроме названных производных пурина и пиримидина, в гидролизате НК содержится несколько десятков других основ (1-метиладенин, 1-метилгуанин, ^-диметилгуанин, ^-диметиладенин, N-тметил-гуанин, 5-метилцитозин, 5-оксиметилцитозин, 4-тиоурацил, Диги-дроурацил и др.)., которые из-за малого количества получили название экзотических , или минорных компонентов. Их биологическая роль, очевидно, сводится к защите НК от разрушительного действия ферментов. Особенно много минорных оснований в составе тРНК (около 60). При физиологических условиях более стабильными являются кетоструктуры; в кетоформи азотистые основания входят в состав нуклеиновых кислот.
Из пяти вышеназванных пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований в состав ДНК входят аденин, гуанин, цитозин и ти-мин. Они содержатся и в РНК, но вместо тимина присутствует урацил. Название НК зависит от пентозы, входит в ее состав: в ДНК углеводный компонент представлен дезоксирибозы, в РНК - рибоза. Разница в строении рибозы и дезоксирибозы (замена у второго углеродного атома рибозы ОН-группы на Н) способствует укреплению связи между вторым и третьим атомами углерода и создает благоприятные условия для компактной укладки молекулы ДНК.
При ферментном гидролизе НК образуются продукты, состоящие из остатков азотистых оснований, рибозного или дезок-сирибозного компонентов и фосфорной кислоты. Атомы углерода пентозы имеют цифровые обозначения со штрихом, чтобы можно было отличить их от углеродных атомов, входящих в пуриновые или пиримидиновые гетероциклы.
Соединения, состоящие из остатков той или иной азотистого основания, пентозного (рибозного или дезоксирибозного) компонента и фосфорной кислоты, называются нуклеотидами. Они мо-номерными единицами олигонуклеотидов и полинуклеотидных структур НК. Отщепление от нуклеотида фосфорной кислоты сопровождается образованием соответствующего нуклеозида. Продукты фосфорилирования нуклеозидов, в частности нуклеозидтрифосфа-ти, используются для биосинтеза ДНК и РНК. Нуклеозиды и нуклеотиды получают названия по азотистыми основаниями, входящих в их состав. Если углеводный компонент нуклеозида представлен дезоксирибозы, то перед названием соответствующего нуклеотида относится префикс дезокси, например дезоксигуа-нозин-5-трифосфат (д-ГТФ). Существуют нуклеотиды, имеющие циклическом строении. Это прежде всего циклического аденозинмонофосфата (цАМФ или сАМР), гуа-нозинмонофосфаты (цГМФ или сGМР) и цитозинмонофосфаты (цЦМФ или Ссмр). Циклические АМФ и ГМФ образуются из соответствующих нуклеозидтрифосфатив под действием ферментов аденилат-циклазу и гуанилатциклазы. Биологическое значение цАМФ заключается в его контроле за активностью ферментов (вторичный медиатор), роль первичного регулятора выполняет адреналин, активирует аденилатциклазу. Механизм действия цГМФ и цАМФ подобный, однако при действии на тот же фермент цГМФ оказывает противоположный эффект, т.е. является ингибитором ферментов. Первичная структура. Остатки нуклеотидов в полену-клеотидному цепи соединены фосфодиэфирных связей между 5'-ОН-группой пентозы одного нуклеотида и 3'-ОН-группой пентозы другого нуклеотида. При сокращенном изображении формул НК углеводный компонент имеет вид вертикальных линий, над которыми находятся символы азотистых оснований. Иногда ограничиваются обозначением принадлежности азотистых оснований к пуринов (Пу, Pu) или пиримидинов (Пи, Ру). Фосфодиэфирных связей между остатками соседних нуклеотидов имеют вид косых линий, посередине которых находится химический знак фосфора (Р). Международной программы «Геном человека», конечной целью которой стало определение полной генетической карты человека и расшифровка нуклеотидных последовательностей не только в екзонних, но и в интронная фрагментах ДНК. В 2001 году, но уже без участия СССР, который в настоящее время прекратил свое существование, впервые опубликованы сведения о первичной структуре ДНК человека. В решении этого вопроса участвовали тысячи ученых из более чем 20 стран мира. Они установили, что в 23-х парах хромосом ядра соматической клетки человека находятся около 3,2 млрд. мононуклеотидних пар, не считая нуклеотидный состав митохондрий. Интересно сообщение о том, что общая длина ДНК в ядрах всех клеток человека достигает астрономической величины -1011 км, что почти в 1000 раз превосходит расстояние от Земли до Солнца.
Вторичная структура. При изучении химического состава нуклеиновых кислот были установлены значительные различия в относительном содержании азотистых оснований в различных ДНК, однако молярное соотношение между аденина и тимина, а также между цитозином и гуанином во всех исследованных ДНК оставалось равным примерно 1:1, то есть число остатков аденина равно числу остатков тимина, а число остатков гуанина - числу остатков цитозина. На основе этих данных Чаргаффу Е. (1950) была выдвинута концепция о спаривания оснований в ДНК, или правило комплементарности, согласно которому азотистые основания взаимодействуют между собой при биосинтезе молекул ДНК в любых организмах: аденин - с тимином, а гуанин - с цитозином.
Франклин Р. и Уилкинс М. методом рентгеноструктурного анализа получили данные, из которых следовало, что молекулы ДНК, наверное, имеют строение спирали, состоящей из нескольких цепей.
Модель ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. Уотсоном Дж. и Криком Ф. на основании анализа полученных Франклин Р. и Уилкинс М. картин рентгеновской дифракции волокон ДНК. Уотсон Дж. и Крик Ф. установили, что ДНК - это двойная спираль, состоящую из двух антипара-параллельных полинуклеотидных цепей. антипараллельных цепей путем образования между ними водородных связей, которые могут возникнуть только при условии, что по ходу биспиральные структуры ДНК аденин образует пару с тимином, а гуанин - с цитозином. Соединены посредством водородных связей азотистые основания называют комплементарными, а процесс избирательной взаимодействия аденина с тимином, гуанина с цитозином - ком-ментарнистю. Схему спаривания азотистых оснований уже можно считать экспериментально доказанной. Последовательность нуклео-тидив в цепях биспиральные структуры ДНК комплементарная, но не идентична. Устойчивость биспиральные структуры ДНК обеспечивается за счет двух водородных связей между тимином и аденином и трех водородных связей между цитозином и гуанином (рис. 3.2). Комплементарность отдельных азотистых оснований приводит к тому, что комплементарными оказываются дезоксирибо-нуклеотидные цепи ДНК в целом. Из схемы следует, что в одной цепи связь между нуклеотидами идет в направлении 5 '^ 3', а в другом - в противоположном направлении - 3'-5 '. Антипа-параллельных направленность комплементарных цепей имеет биологическую основу при репликации и транскрипции ДНК.
Кроме водородных связей между атомами водорода, азота и кислорода в комплементарных азотистых основаниях в стабилизации биспиральные структуры ДНК важную роль играют так называемые стекинг-взаимодействия, возникающие между азотистыми основаниями в связи с гидрофобными силами, действующими на расстоянии ван-дер -ваальсовых-го радиуса.
Рентгеноструктурный анализ волокон и кристаллов показал, что существует три типа двойной спирали ДНК (А-, В-и Z-форма) и один тип двойной спирали РНК. А-и В-ДНК является правозакручены-ми спиралями, а Z-ДНК - ливозакручена форма. В-форма ДНК устойчива при относительной влажности, превышающей 92%, если же влажность опускается ниже 75%, большинство дезоксирибонуклео-тидних последовательностей принимает А-форму. Обе формы напоминают гибкие лестницы, спирально закрученные вокруг центральной оси. Остатки дезоксирибозы и фосфатные группы, чередующиеся служат поручнями «лестницы», а ступеньками является комплементарные пуринпиримидинови пары оснований.
Места присоединения азотистых оснований к остаткам дезоксирибозы в комплементарных цепях ДНК расположены не четко друг против друга по оси спирали. Это сказывается на всей конформации ДНК. С той стороны от оси спирали, где угол между дезок-сирибознимы кольцами меньше 180 °, содержится желоб, именуемый малой или гликозидной бороздой (в ее сторону направлены гликозидные связи, соединяющие дезоксирибозни остатки с азотистыми основаниями), с противоположной стороны находится крупная борозда, или Негликозидные желоб. В биспиральные структуре ДНК фосфатные группы составляют бы стенки большого и малого желобов, а «края» пуриновых и пирамидинових основ образуют дно. На дне большой борозды находятся атомы азота и кислорода, могут соединяться водородными связями с боковыми цепями аминокислотных остатков белка и играть важную роль в процессе распознавания.
В пуриновых и пиримидиновых основаниях, образуют комплементарные пары, расположение групп, способных к образованию водородных связей, разное. В паре А-Т в направлении от аденина к тимина сначала располагается атом азота - акцептор водорода, далее - N ^-группа - донор водорода и, наконец, атом кислорода - снова акцептор. В комплементарной паре G-С сначала идет атом азота - акцептор, далее кислород - снова акцептор и затем N ^-группа - донор водорода. В связи с тем, что каждую комплементарную пару можно рассматривать в противоположном направлении Т-А и С-G, то возможны четыре варианта сочетаний донорских и акцепторных группировок в цепи ДНК, которые могут распознаваться репрессор или другими регуляторными белками. Следовательно, информация, закодированная в ДНК в виде последовательности азотистых оснований, со стороны большого борозды может быть расшифрована любой другой крупной молекулой. Малая борозда менее информативна и в В-форме ДНК она играет другую роль.
А-и В-формы ДНК отличаются между собой в основном расположением и углом наклона пары оснований относительно оси спирали. В В-форме плоскости основ почти перпендикулярны оси спирали, проходящей через центры пар оснований. Малая борозда узкая за большую через несимметричность мест присоединения азотистых оснований к остаткам дезоксирибозы, а глубина обоих борозд примерно одинакова.