Полная версия

Главная arrow География arrow ГЕНЕТИКА В 2 Ч. ЧАСТЬ 1

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Строение молекул ДНК и РНК

Первое доказательство роли ДНК как носителя наследственной информации организмов привлекло огромное внимание к изучению нуклеиновых кислот. В 1869 г. Ф. Мишер выделил из ядер клеток особое вещество, которое назвал нуклеином. Через 20 лет это название было заменено термином нуклеиновая кислота. В 1924 г. Р. Фельген разработал метод цитологического распознавания нуклеиновых кислот посредством их специфического окрашивания и показал, что ДНК локализуется в ядрах клеток, а РНК - в цитоплазме. В 1936 г. А.Н. Белозерский и И.И. Дубровская выделили ДНК в чистом виде из ядер растительных клеток. К началу 1930-х гг. были выяснены основные химические принципы строения сахаров нуклеиновых кислот, а в 1953 г. создана структурная модель ДНК.

Основная структурная единица нуклеиновых кислот - нуклеотид, который состоит из трех химически различных частей, соединенных ковалентными связями (рис. 5.2).

Структурные формулы

Рис. 5.2. Структурные формулы: а - нуклеотидов; б - ДНК; в - РНК (см. также с. 110)

Окончание. Структурные формулы

Рис. 5.2. Окончание. Структурные формулы: а - нуклеотидов; 6 - ДНК; в - РНК

Первая часть - сахар, содержащий пять атомов углерода: дезоксири- боза в ДНК и рибоза в РНК.

Вторая часть нуклеотида - пуриновое или пиримидиновое азотистое основание, ковалентно соединенное с первым атомом углерода сахара, формирует структуру, называемую нуклеозидом. ДНК содержит пуриновые основания - аденин (А) и гуанин (Г) - и пиримидиновые основания - тимин (Т) и цитозин (Ц). Соответствующие нуклеозиды называются дезоксиаде- нозином, дезоксигуанозином, дезокситимидином и дезоксицитидином. РНК содержит те же пуриновые основания, что и ДНК, пиримидиновое основание цитозин, и вместо тимина в ее состав входит урацил (У); соответствующие нуклеозиды называются аденозином, гуанозином, уридином и ци- тидином.

Третью часть нуклеотида составляет фосфатная группа, которая соединяет соседние нуклеозиды в полимерную цепочку посредством фосфо- диэфирных связей между 5-атомом углерода одного сахара и З'-атомом углерода другого (рис. 5.2, б, в). Нуклеотидами называются нуклеозиды с одной или несколькими фосфатными группами, присоединенными эфирными связями к 3'- или 5-атомам углерода сахара. Синтез нуклеотидов предшествует синтезу нуклеиновых кислот, соответственно, нуклеотиды являются продуктами химического или ферментативного гидролиза нуклеиновых кислот.

Нуклеиновые кислоты - очень длинные полимерные цепочки, состоящие из мононуклеотидов, соединенных 5- и З’-фосфодиэфирными связями. Интактная молекула ДНК содержит в зависимости от вида организмов от нескольких тысяч до многих миллионов нуклеотидов, интактная молекула РНК - от 100 до 100 тыс. и более нуклеотидов.

Результаты проведенных Э. Чаргаффом анализов нуклеотидного состава ДНК различных видовых форм показали, что молекулярное соотношение различных азотистых оснований - аденина, гуанина, тимина, цитозина - варьирует в широких пределах. Следовательно, было доказано, что ДНК вовсе не монотонный полимер, состоящий из одинаковых тетрануклеотидов, как предполагали в 40-е гт. XX вв., и что он в полной мере обладает сложностью, необходимой для сохранения и передачи наследственной информации в форме специфической последовательности нуклеотидных оснований.

Исследования Э. Чаргаффа выявили также особенность, присущую всем молекулам ДНК: молярное содержание аденина равно содержанию тимина, а молярное содержание гуанина - содержанию цитозина. Эти равенства называются правилом эквивалентности Чаргаффа: [А] = [Т], [Г] = [Ц]; количество пуринов равно количеству пиримидинов. В зависимости от видовой принадлежности меняется лишь отношение ([А] + [Т])/([Г] + [Ц]) (табл. 5.1).

Содержание азотистых оснований и их соотношение в ДНК различных организмов

Состав оснований,

Отношение

Асимметрия

Объект

моль/%

оснований

А

Г

т

ц

А/Т

г/ц

(А + Т)/(Г + Ц)

Животные

Человек

30,9

19,9

29,4

19,8

1,05

1,00

1,52

Овца

29,3

21,4

28,3

21,0

1,03

1,02

1,36

Курица

28,8

20,5

29,2

21,5

1,02

0,95

1,38

Черепаха

29,7

22,0

27,9

21,3

1,05

1,03

1,31

Лосось

29,7

20,8

29,1

20,4

1,02

1,02

1,43

Морской краб

47,3

2,7

47,3

2,7

1,00

1,00

17,50

Морской еж

32,8

17,7

32,1

17,2

1,02

1,02

1,58

Саранча

29,3

20,5

29,3

20,7

1,00

1,00

1,41

Растения, грибы

Зародыш пшеницы

27,3

22,7

27,1

22,8

1,01

1,00

U9

Дрожжи

31,3

18,7

32,9

17,1

0,95

1,09

1,79

Гриб Aspergillus niger

25,0

25,1

24,9

25,0

1,00

1,00

1,00

Бактерии

Escherichia coli

24,7

26,0

23,6

25,7

1,04

1,01

0,93

Staphylococcus aureus

30,8

21.0

29,2

19,0

1,05

1.11

1,50

Clostridium perfringens

36,9

14,0

36,3

12,8

1,01

1,09

2,70

Brucela abortus

21,0

29,0

21,1

28,9

1,00

1,00

0,72

Sarcina lutea

13,4

37,1

12,4

37,1

1,08

1,00

0,35

Бактериофаги

T7

26,0

24,0

26,0

24,0

1,00

1,00

1,08

X

21,3

28,6

22,9

27,2

0,92

1,05

0,79

ФХ 174 (вирусная форма)

24,6

24,1

32,7

18,5

0,75

1,30

1,34

ФХ 174 (репликативная форма)

26,3

22,3

26,4

22,3

1,00

1,00

1,18

Отношение оснований получило наименование коэффициента нуклеотидной (видовой) специфичности. В открытии Чаргаффа была сформулирована важная структурная особенность ДНК, нашедшая позже отражение в структурной модели ДНК Дж. Уотсона и Ф. Крика (1953), которые фактически показали, что правила Чаргаффа не накладывают никаких ограничений на возможное число сочетаний различных последовательностей оснований, способных образовывать молекулы ДНК.

Положение о нуклеотидной специфичности легло в основу новой отрасли биологии - геносистематики, которая оперирует сравнением состава и структуры нуклеиновых кислот для построения естественной системы организмов.

Согласно модели Уотсона-Крика молекула ДНК состоит из двух по- линуклеотидных цепочек (нитей, тяжей), соединенных друг с другом с помощью поперечных водородных связей между азотистыми основаниями по комплементарному принципу (аденин одной цепочки соединен двумя водородными связями с тимином противоположной цепочки, а гуанин и цитозин разных цепочек соединены друг с другом тремя водородными связями). При этом две Полинуклеотидные цепочки одной молекулы являются анти- параллельными, т. е. напротив 3'-конца одной цепочки находится 5'-конец другой цепочки и наоборот (рис. 5.3). Следует, однако, иметь в виду современные данные о том, что генетический материал некоторых вирусов представлен одноцепочечными (однонитевыми) молекулами ДНК. На основании данных рентгеноструктурного анализа ДНК Дж. Уотсон и Ф. Крик сделали также заключение о том, что ее двухцепочечная молекула имеет вторичную структуру в форме спирали, закрученной в направлении слева направо, которая в дальнейшем получила название 5-формы (рис. 5.4). К настоящему времени доказано, что помимо наиболее часто встречающейся 5-формы можно обнаружить участки ДНК, имеющие иную конфигурацию, - как правозакрученную (формы А, С), так и закрученную справа налево (левозакрученную, или Z-форму) (рис. 5.4). Между этими формами вторичной структуры ДНК имеются определенные различия (табл. 5.2). Так, например, расстояние между двумя соседними парами азотистых оснований в двухцепочечной спирали, выраженное в нанометрах (нм), для 5-формы и Z-формы характеризуется разными величинами (0,34 и 0,38 нм соответственно). На рис. 5.5 приведены современные объемные модели «левозакрученной» и «правозакрученной» форм ДНК.

схематическое изооражение первичной структуры фрагмента двухцепочечной молекулы ДНК

Рис. 5.3. схематическое изооражение первичной структуры фрагмента двухцепочечной молекулы ДНК: А - аденин; Г - гуанин; Т - тимин; Ц - цитозин

Модель вторичной структуры ДНК Рис. 5.5. Пространственные модели Уотсона-Крика Z-формы и 5-формы ДНК

Рис. 5.4. Модель вторичной структуры ДНК Рис. 5.5. Пространственные модели Уотсона-Крика Z-формы и 5-формы ДНК

Таблица 5.2

Свойства различных форм двойных спиралей ДНК

Свойства

Формы спиралей

А

В

С

Z

Направление скрученности

Направо

Направо

Направо

Налево

Расстояние между соседними парами оснований (нм)

0,23

0,34

0,30

0,38

Число пар оснований в одном витке спирали

10,7

10,0

9,3

12,0

Диаметр спирали (нм)

2,3

2,0

1,9

1,8

Угол наклона оснований к оси спирали (градусы)

+19

-1,2

-6

-9

Молекулы РНК в зависимости от их структурно-функциональных особенностей подразделяют на несколько типов: информационные (матричные) РНК (иРНК, или мРНК), рибосомные РНК (рРНК), транспортные РНК (тРНК), малые ядерные РНК (мяРНК) и др. В отличие от ДНК молекулы РНК всегда являются одноцепочечными (однонитевыми). Однако они могут формировать более сложные (вторичные) конфигурации за счет комплементарного соединения отдельных участков такой цепочки на основе взаимодействия комплементарных азотистых оснований (A-У и Г-Ц). В качестве примера можно рассмотреть конфигурацию, имеющую форму «листа клевера», для молекулы фенил ал аниновой транспортной РНК (рис. 5.6).

Структура фенил ал аниновой тРНК дрожжей

Рис. 5.6. Структура фенил ал аниновой тРНК дрожжей

В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик предложили модель структуры ДНК, которая основывалась на следующих постулатах:

  • 1. ДНК представляет собой полимер, состоящий из нуклеотидов, соединенных 3'- и 5'-фосфодиэфирными связями.
  • 2. Состав нуклеотидов ДНК подчиняется правилам Чаргаффа.
  • 3. Молекула ДНК имеет структуру двойной спирали, напоминающую винтовую лестницу, о чем свидетельствуют рентгенограммы нитей ДНК, впервые полученные М. Уилкинсом и Р. Франклин.
  • 4. Структура полимера, как показывает кислотно-щелочное титрование нативной (природной) ДНК, стабилизируется водородными связями. Титрование и нагревание нативной ДНК вызывает заметное изменение ее физических свойств, в частности вязкости, переводя ее в денатурированную форму, причем ковалентные связи не разрушаются.
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>