IV.2. ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Нукдеиновая кислота представляет собой гигантскую полимерную молекулу, построенную из многочисленных повторяющихся мономерных звеньев, называемых нуклеотидами.

Азотистые основания представляют собой производные одного из двух классов соединений — пуринового или пиримидинового ряда (рис. IV.З). В нуклеиновых кислотах присутствуют два произ­водных пурина — аденин (обозначаемый А) и гуанин (Г) и три производных пиримидина — цитозин (Ц), тимин (Т) и урацил (У). В состав ДНК входят аденин, гуанин, цитозин и тимин. В структуре РНК тимин заменен другим пиримидином — урацилом.

Сахар, входящий в состав нуклеотида, содержит пять угле­родных атомов, т.е. представляет собой пентозу, которая может присутствовать в одной из двух форм: рибозы и дезоксирибозы (рис. IV.4). Различие между ними состоит в том, что атом водорода при втором атоме углерода дезоксирибозы в рибозе замешен гидроксильной группой (—ОН). Сахар присоединяется к одному из оснований с помощью гликозидной связи, соединяющей 1-й углеродный атом пентозы с 1-м атомом азота производных пиримидина или с 9-м атомом азота производных пурина. В зависимости от формы пентозы различают два типа нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и рибонуклеиновую кислоту (РНК). Нуклеиновые кислоты являются кислотами потому, что в их молекулу входит остаток фосфорной кислоты (-НРО3). В результате взаимодействия молекулы фосфорной кислоты с 3'-гидро-ксильной группой предшествующего ну-

клеотида и 5'-гидроксилъной группой после-ь дующего образуется основная цепь нуклеиновой кислоты (фосфат—сахар—фосфат—сахар и т.д.), к которой присоединяются разные азотистые основа­ния (рис.

IV.2.1. Строение ДНК

Пространственная конфигурация молекул ДНК была установ­лена в 1953 г. Это открытие было удостоено высшей научной на­грады — Нобелевской премии. Согласно модели, предложенной Дж.Уотсоном и Ф. Криком, молекула ДНК представляет собой две параллельные неразветвлен­ные полинуклеотиднъте цепи, закрученные вокруг общей оси в двойную правостороннюю спираль. Диаметр двойной спирали равен 20 нм с шагом около 3,4 нм, на каждый виток приходится 10 пар нуклеотидов, поскольку рассто­яние между соседними парами составляет 0,34 нм (рис. IV.6). Направление цепей взаимно противоположно. На 5'-конце цепи ДНК всегда расположен свободный фосфат у 5'-атома уг­лерода; на противоположном 3'-конце — свободная ОН-группа у З'-атома углерода. Сахарно-фосфатный остов располагается по периферии спирали, а азо­тистые основания находятся внутри ее. Между основаниями образуются специфические во­дородные связи (рис. IV.7). В 50-е годы было установле­но, что в ДНК, выделенной из клеток различных организмов, молярная сумма пуриновых ос­нований (аденин + гуанин) все­гда равна сумме пиримидиновьгх (цитозин + тимин). Содержание аденина равно содержанию тимина, а содержание гуанина — количеству цитозина (правило Э.Чаргаффа).

Водородные связи возникают между пуриновым основанием од­ной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи в результате избирательного спаривания оснований.

Водородные связи между парами комплементарных нуклеоти­дов (две для пары А-Т и три для пары Г-Ц) относительно непроч­ные. Поэтому комплементарные нити молекулы ДНК могут разде­ляться и соединяться вновь при изменении некоторых условий (например, изменении температуры или концентрации солей). Разделение двухцепочечной ДНК называется денатурацией, а об­ратный процесс - образование двухцепочечной структуры ДНК - гибридизацией Очевидно, что в реакцию гибридизации могут всту­пать только комплементарные друг другу нуклеотидные последо­вательности одноцепочечных молекул.

Цепь, содержащая информацию о строении белка (в направле­нии 5'-3'), называется смысловой цепью, а комплементарная - антисмысловой. Антисмысловая цепь имеет большое значение при стабилизации структуры двойной спирали ДНК и участвует в про­цессах репликации и репарации (восстановления) поврежденных участков ДНК. Молекулы ДНК являются гигантскими полимера­ми. Единицами измерения длины молекулы приняты: пары нукле­отидов (п.н.), тысячи пар нуклеотидов - килобазы (кб), милли­оны пар оснований - мегабазы (мб).

У человека гаплоидный набор содержит 3,2х109 пар нуклеоти­дов, или 3,2 миллиарда пар оснований. Почти вся ДНК клетки содержится в ядре в виде 46 плотно упакованных, суперскрученных за счет взаимодействий с ядерными белками, структурах - хромосомах. Сравнительно небольшая часть ДНК (около 5%) ло­кализована в митохондриях.