Сельскохозяйственная биотехнология - Шевелуха Е.А.
Скачать (прямая ссылка):
Компоненты и первичная структура ДНК. Нуклеиновые кислоты состоят из последовательности химически связанных между собой нуклеотидов, т. е. они представляют собой полинуклеотиды. Каждый нуклеотид содержит гетероциклическое кольцо из атомов углерода и азота (азотистое основание), пятиуглеродное сахарное кольцо (пентозу) и фосфатную группу.
Между азотсодержащими кольцами, встречающимися в нуклеотидах, имеется родственная связь. Цитозин (Ц), тимин (Т) и урацил (У) называют пиримидиновыми основаниями, так как они представляют собой простые производные шестичлен-
Тимин
М
N Гуанин
3' -конец
Рис. 2.1. Первичная структура ДНК
ного пиримидинового кольца; гуанин (Г) и аденин (А) — пуриновые основания, второе пятичленное кольцо которых сконденсировано с шестичленным циклом (рис. 2.1).
Сахар, входящий в состав нуклеотида,— это пентоза, которая может присутствовать в одной из двух форм: p-D-рибоза и P-D-2-дезоксирибоза. Различие между ними состоит в том, что гидроксильная группа рибозы при 2’-углеродном атоме пентозы замещена в дезоксирибозе на атом водорода. Нуклеотиды, содержащие рибозу, называются рибонуклеотидами и являются мономерными звеньями РНК, а нуклеотиды, содержащие де-зоксирибозу, являются дезоксирибонуклеотидами, и из них строится ДНК-
Нуклеозид — это нуклеотид бесфосфатной группы (групп). Он образуется соединением одного из азотистых оснований с
пентозным кольцом посредством гликозидной связи между С’, — N-атомом пентозного кольца и Ш-атомом пиримидина или N9 пурина. Чтобы избежать путаницы в нумерации атомов азотистых оснований и сахаров, положение атомов углерода пентозы пишут со штрихом.
Одна, две или три фосфатные группы могут быть присоединены эфирной связью к 5’-углероду пентозы. Образующиеся при этом нуклеотиды соответственно называют нуклео-зид-5’-моно-, нуклеозид-5’-ди- и нуклеозид-5’-трифосфатами и обозначают соответственно ХМФ, ХДФ и ХТФ, где X — то или иное азотистое основание. При физиологических значениях pH (близких к 7) основания не заряжены. Однако одна, две или три фосфатные группы, входящие в состав нуклеотида, являются кислыми и несут два, три или четыре отрицательных заряда соответственно.
Нуклеотиды могут выступать в качестве переносчиков энергии. При этом трифосфатный эфир аденина (АТФ) гораздо чаще, чем другие нуклеотиды, участвует в переносе энергии между сотнями индивидуальных внутриклеточных реакций.
РНК и ДНК построены, соответственно, из связанных ковалентно рибонуклеотидных или дезоксирибонуклеотидных звеньев, образующих полинуклеотидные цепи. Звенья соединяются между собой с помощью фосфодиэфирных мостиков, связывающих 5'-гидроксильную группу одного нуклеотида и З’-гйдро-ксильную группу следующего. При этом образуется регулярная основная цепь (сахарофосфатный остов) фосфат — сахар — фосфат — сахар — и т. д. Азотистые основания присоединены к сахарам аналогично тому, как присоединены боковые группы в белках; они как бы «торчат» из сахарофосфатного остова.
Концевой нуклеотид на одном конце цепи имеет свободную 5’-группу, на другом конце З’-группу. Таким образом полинук-леотидная цепЪ обладает полярностью, и, согласно принятому соглашению, последовательность оснований читается в направлении от 5’- к З’-углеродному атому пентозы. О первом и последнем нуклеотидах говорят, что они находятся на 5’- и З’-кон-цах цепи соответственно.
До 1950 г. доминировала тетрануклеотидная теория структуры ДНК, рассматривающая полинуклеотид как монотонную макромолекулу, состоящую из многократно повторяющихся наборов четырех нуклеотидов. Такая молекула, очевидно, не способна выполнять роль носителя генетической информации. В 1948 г. Хочкисс и Эрвин Чаргафф применили тогда еще новый метод хроматографии на бумаге для разделения и количе-
ственной оценки компонентов нуклеиновой кислоты. Этот метод давал возможность проводить более точный анализ нуклеотидных оснований, высвобождающихся при полном гидролизе ДНК. Анализы показали, что в противоположность требованиям тетрануклеотидной теории четыре азотистых основания не обязательно присутствуют в ДНК в точно равных соотношениях. Чаргафф проанализировал образцы ДНК, выделенной из разных организмов, и показал, что молярные соотношения оснований в молекуле ДНК могут варьировать в широких пределах в зависимости от ее биологического источника. Но если она не монотонна, то тогда вполне возможно, что именно состав ее оснований и обусловливает ее биологическую специфичность.
К 1952 г. удалось сформулировать теорию, объясняющую, каким образом ДНК может осуществлять перенос генетической информации в опытах с трансформацией. Основное положение этой теории сводилось к следующему: если молекула ДНК содержит генетическую информацию, то последняя определяется не чем иным, как специфической нуклеотидной последовательностью четырех нуклеотидных оснований в полинуклеотидной цепи.
ДНК — двойная спираль. В 1953 г. Джеймс Уотсон и Френсис Крик установили трехмерную (вторичную) структуру ДНК и сразу же предложили механизм ее репликации (удвоения). Это блестящее достижение стоит в ряду важнейших событий в истории биологии, так как оно открыло путь к пониманию функции гена на молекулярном уровне. Не случайно 1953 год считают годом рождения молекулярной биологии.
