Генная инженерия. Первичная и вторичная структуры нуклеиновых кислот

Первичная структура ДНК

При действии ферментов, относящихся к группе нуклеаз (РНК-азы, ДНК-азы), полинуклеотиды (ДНК и РНК) образуются путем конденсации мономеров - мононуклеотидов, которые соединены между собой по типу 5'-3'-связи, т. е. соединение происходит путем образования сложноэфирных связей между остатком фосфорной кислоты одного мононуклеотида и двумя гидроксильными группами одной, находящейся у 3' углеродного атома пентозы (рибозы или дезоксирибозы), одного нуклеотида и 5' углеродного атома пентозы следующего нуклеотида.

Следует отметить, что последовательность нуклеотидов имеет направление или полярность, обусловленную тем обстоятельством, что на одном конце цепи имеется свободная гидроксильная группа при С-5'(5'-конец), а на другом - свободная 3'-ОН-группа (3'-конец):
Разные нуклеиновые кислоты отличаются друг от друга числом мононуклеотидов в молекуле, нуклеотидным составом и порядком чередования нуклеотидных остатков (фактически оснований, поскольку пентозофосфатные части у всех мономеров одинаковы). Для краткого изображения первичной структуры нуклеиновых кислот используют однобуквенные символы нуклеотидов: A - аденин, G - гуанин, C - цитозин, U - урацил, T - тимин.

Первичная структура РНК может быть представлена, например, такой записью:
Запись структуры ДНК отмечается приставкой "d" (дезокси-): dAdTdAdAdGdTdCdCdGdAdTdTdAdC, или d(ATAAGTCCGATTAC) [эти две записи, помимо символа "d", различаются еще и тем, что в первой записи (РНК) не встречается символ Т, а во второй (ДНК) не встречается символ U].

При такой записи предполагается, что слева находится 5'-конец, справа - З'-конец. Иногда приходится писать полинуклеотидную цепь противоположным образом; в этом случае во избежание путаницы вводят дополнительные приставки
Из четырех разных нуклеотидов можно построить огромное количество нуклеиновых кислот, различающихся по первичной структуре. В этом отношении нуклеиновые кислоты сходны с белками.

Вторичная структура ДНК

Особенностью нуклеотидного состава ДНК является то, что число адениловых нуклеотидов равно числу цитидиловых: А=Т, G=0, следовательно, А+G^+C, т. е. число пуриновых нуклеотидов равно числу пиримидиновых (правило Чаргаффа). Такие соотношения не свойственны РНК.

Исходя из правила Чаргаффа о нуклеотидном составе ДНК и из рентгеноструктурных исследований, Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик и Морис Уилкинс (Великобритания) предложили модель строения ДНК (1953). Ниже сформулированы основные черты этой модели.

1. Молекула ДНК построена из двух полинуклеотидных цепей, ориентированных антипараллельно и на всем протяжении связанных друг с другом водородными связями (каждый из мононуклеотидов участвует в образовании водородных связей).

2. Водородные связи между цепями образуются за счет специфического взаимодействия аденинового остатка одной цепи с тиминовым остатком другой цепи (пара А...Т) и гуанинового остатка одной цепи с цитозиновым остатком другой цепи (пара C...G):
Основания, образующие пару, комплементарны друг другу в том смысле, что между ними легче возникают водородные связи, чем при других сочетаниях (например, A и G, A и C и др.); это объясняется геометрией расположения групп, участвующих в образовании водородных связей между парами оснований, и геометрией молекулы ДНК в целом.

3. Первичная структура одной цепи молекулы ДНК комплементарна первичной структуре другой цепи. Это легко понять, рассматривая следующую схему:
Если в положении n (считая с 5'-конца) первой цепи находится остаток дезоксиаденилата (А), то в положении n (считая с 3'-конца) второй цепи находится комплементарный ему остаток тимидилата (Т), а не какой-либо другой мономер.

Таким образом, если известна первичная структура одной цепи молекулы ДНК, то первичная структура другой цепи может быть легко написана, исходя из правил комплементарности оснований и комплементарности цепей, иначе говорят, что одна цепь является матрицей для другой. Следует отметить, что комплементарность цепей не означает идентичности их первичных структур.

4. Обе цепи закручены в спираль, имеющую общую ось; цепи могут быть разделены только путем раскручивания. Пуриновые и пиримидиновые основания обращены внутрь спирали; их плоскости перпендикулярны оси спирали и параллельны друг другу, так что получается стопка оснований. Между основаниями в этой стопке возникают гидрофобные взаимодействия, вносящие основной вклад в стабилизацию двойной спирали, больший, чем водородные связи между цепями. Пентозофосфатные части располагаются по периферии, образуя ковалентный остов спирали (рис. 3.1.).


Структура ДНК позволяет объяснить молекулярный механизм фундаментальных биологических явлений, таких, как самовоспроизведение организмов, наследственность, изменчивость. Установление структуры ДНК - одно из выдающихся событий науки XX в. В 1962 году Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик и Морис Уилкинс получили Нобелевскую премию за установление структуры ДНК.

Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик

Опубликовал Константин Моканов