4.4 Первинна структура нуклеїнових кислот
Під первинною структурою нуклеїнових кислот розуміють порядок, послідовність розташування мононуклеотидів в полінуклеотидних ланцюга ДНК і РНК . Така ланцюг стабілізується 3 ', 5'-фосфодіефірнимі зв'язками. Оскільки молекулярна маса нуклеїнових кислот коливається в широких межах (від 2 • 104 до 1010-1011), встановити первинну структуру всіх відомих РНК і особливо ДНК вельми складно. Проте, у всіх нуклеїнових кислотах (точніше, в одноцепочечной нуклеїнової кислоти) є один і той же тип зв'язку - 3 ', 5'-фосфодіефірная зв'язок між сусідніми нуклеотидами. Цю загальну основу структури можна представити таким чином:
Встановлено, що в освіті межнуклеотидной зв'язку беруть участь гідроксильні групи в 3'і 5'-положеннях залишків вуглеводу.
До теперішнього часу вдалося визначити первинну структуру майже всіх тРНК, вірусних РНК, в склад яких входять сотні і тисячі нуклеотидних залишків. Нижче наводиться приблизна схема послідовності нуклеотидів в молекулі РНК. Всі клітинні РНК в основному складаються з одноцепочечной полінуклеотидних ланцюга:
5'-Г-У-Г-Ц-А-А -...- У-Ц-Г-Ц-Ц-А-3 '
Полинуклеотидная ланцюг молекули РНК має на одному кінці майже завжди вільний монофосфорної ефір, який прийнято позначати як 5'-кінець; на протилежному кінці ланцюга такої фосфат відсутня, а міститься нуклеотид з вільними 2'і 3'-гідроксильних груп.
У з'ясуванні первинної структури РНК вирішальну роль зіграли методи ступеневої гідролізу , Здійсненого в основному екзонуклеаза і полягає в послідовному відщепленні по одному мононуклеотидів з одного кінця молекули нуклеїнової кислоти. Первинна нуклеотидних послідовність структури першої РНК, що має 77 нуклеотидів, була розшифрована в 1965 р Р. Холлі і співр.
Слід особливо зазначити дві суттєві особливості первинної структури всіх тРНК. перша з них полягає в тому , Що 5'-кінцем завжди є гуанілова (рідко цітіділовая) кислота, що несе вільний залишок фосфату у С-5 '. Друга особливість - наявність на протилежному кінці молекули залишків трьох мононуклеотидів з однаковою послідовністю - ЦЦА, причому залишок адениловой кислоти містить вільну 3'-ОН-групу.
Між цими структурами в строго визначеної послідовності розташовуються всі інші нуклеотидні залишки, серед яких на частку мінорних нуклеотидів припадає до 10%. Полинуклеотидная ланцюг різних типів тРНК містить близько 75 нуклеотидів.
Матричні (інформаційні) РНК відносяться до найбільш гетерогенному класу нуклеїнових кислот, що відрізняються по масі, структурі, розмірам, стабільності і функцій. Основною функцією мРНК є перенесення інформації від ДНК (точніше, від гена) на білоксинтезуюча систему клітини. мРНК виконує роль матриці і, отже, визначає первинну структуру синтезованого білка. мРНК наділені рядом особливостей первинної структури; в зокрема , На 5'-кінці всі вони містять певну послідовність рибонуклеотидов, що отримала назву шапочки (кеп). Першим нуклеотидів є 7-метілгуанозінтріфосфат, який приєднується до 5'-гідроксилу сусіднього мононуклеотида, представленого 2'-О-метілпуріновим нуклеотидів. На іншому 3'-кінці більшості (але не всіх) мРНК міститься поліаденіловой послідовність (поли-А), що налічує від 150 до 200 нуклеотидів.
Роль «кепірованія» і «поліаденілювання» мРНК в білковому синтезі остаточно не з'ясована. Припускають, що кеп необхідний для специфічного впізнавання в процесі трансляції, в той час як полі-А відводиться роль фактора стабілізації всієї молекули мРНК.
Уже з'ясовані нуклеотидні послідовності дріжджової клітини, а також первинні структури високомолекулярних рРНК клітин еукаріот, які налічують близько 4700 нуклеотидів.
В Наразі проводяться дослідження первинних структур різних молекул ДНК. Близько 15 років тому була повністю розшифрована нуклеотидних послідовність мітохондріальної ДНК людини (16569 пар нуклеотидів). Відомі повні нуклеотидні послідовності ДНК ряду вірусів і плазмід. Зовсім недавно завершено визначення нуклеотидних послідовностей геномів двох прокаріотів (Haemophilus influenzae і Mycoplasma genitalum) і з'явилися повідомлення про розшифровку генома першого еукаріотичного організму - дріжджів. Близькі до завершення аналогічні дослідження генома нематоди Caenorhabditis elegans. Дослідники активно працюють над повною розшифровкою генома людини.
Результати секвенування (визначення нуклеотидної послідовності ДНК): 
Великі надії у визначенні первинної структури ДНК дослідники покладають на фізичні, хімічні (синтез генів), генетичні та інші методи, а також на методи виділення деяких генів (або їх фрагментів) з природних джерел і синтезугенів на мРНК за участю ферменту зворотної транскриптази.
4.5 Вторинна структура нуклеїнових кислот
Відповідно до моделі Дж. Уотсона і Ф. Кріка, запропонованої в 1953р. на підставі ряду аналітичних даних, а також рентгеноструктурного аналізу молекула ДНК складається з двох ланцюгів, утворюючи правовращающую спіраль, в яку обидві полінуклеотидні ланцюга закручені навколо однієї і тієї ж осі. Утримуються ланцюга завдяки водневим зв'язкам, що утворюється між їх азотистими підставами (рис.8). Обидва ланцюги полинуклеотидов в біспіральні молекулі ДНК мають строго певний просторове розташування, при якому азотисті основи знаходяться всередині, а фосфорильної і вуглеводні компоненти - зовні.
Детальний аналіз всіляких варіантів освіти водневих зв'язків між основами показав, що в біспіральні молекулі ДНК підстави покладені парами: пурин з одного ланцюга і піримідин з іншої відповідно з правилами Чаргаффа . Оскільки орієнтація підстав на площині не є, очевидно, довільної, і підстави в полінуклеотідах представлені в лактамной формі, найбільш ймовірними були визнані пари аденін-тимін і гуанін-цитозин. Цей спосіб спарювання отримав в подальшому експериментальне підтвердження. Вибірковість взаємодії пар А-Т і Г-Ц прийнято виражати терміном «компліментарність», а відповідні азотисті основи називають комплементарними. Стабільність А-Т підстав забезпечується двома водневими зв'язками, а пар Г-Ц - трьома, що в свою чергу визначається особливостями розташування функціональних груп азотистих основ . Довжина водневих зв'язків між основами становить близько 0,3 нм. Таким чином, комплементарними виявляються не тільки окремі підстави, а й дезоксірібонуклеотідние ланцюга ДНК в цілому, що сприяють утворенню досить компактної структури та стабілізації всієї молекули.
а - по Уотсоном і Криком: з - залишок дезоксирибози, р - залишок фосфорної кислоти; б - А-форма ДНК; в - По-форма ДНК
Малюнок 8 а - Схематичне зображення подвійної спіралі ДНК
Обидва ланцюги в молекулі ДНК мають протилежну полярність. Це означає, що межнуклеотидная зв'язок в одного ланцюга має напрямок 5 '-> 3', а в іншій - 3 '-> 5'. Подібна спрямованість ланцюгів має важливе біологічне значення при реплікації і транскрипції молекули ДНК. 
Малюнок 8 б - Конфігурація двох мононуклеотидів в молекулі ДНК
На моделі ДНК (див. Мал.8) видно, що відстань між витками (крок спіралі) одно 3,4 нм. На цій ділянці укладаються 10 нуклеотидних залишків, розмір одного нуклеотиду становить 0,34 нм; діаметр біспіральні молекули дорівнює 1,8 нм.
Необхідно вказати, що конфігурація подвійної спіралі ДНК сильно змінюється в Залежно від кількісного вмісту води і іонної сили навколишнього середовища. Методами рентгеноструктурного аналізу доведено існування принаймні 6 форм ДНК, названих А-, В-, С-, D-, Е- і Z-формами. Конфігурація двох з них в простій формі представлена на рис.8 б. Якщо А- і В-форми являють собою правозакрученной подвійну спіраль, то Z-форма (звивиста) ДНК має левозакрученной конфігурацію, в якій фосфодіефірнимі остов розташовується зигзагоподібно уздовж осі молекули. Паралельно фосфодіефірнимі остову в структурі А- і В-форм ДНК є велика і мала борозенки (жолобки) - сайти, де приєднуються білки, що виконують, очевидно, регуляторні функції при експресії генів. В даний час є підстави вважати, що між А- і В-формами ДНК здійснюються взаємні переходи при зміні концентрації солі і ступеня гідратації. По-форма ДНК найбільше підходить до моделі Уотсона і Крика. У цих переходах, які можуть бути викликані розчинниками або білками, очевидно, укладений певний біологічний сенс. Припускають, що в А-формі ДНК виконує роль матриці в процесі транскрипції (синтез РНК на молекулі ДНК), а в В-формі - роль матриці в процесі реплікації (синтез ДНК на молекулі ДНК).
У структурі ДНК, як і в структурі РНК, відкриті нуклеотидні послідовності, що отримали назву «паліндроми», або перевернуті повтори. Вони зустрічаються як всередині одного ланцюга, так і в подвійної спіралі . Наприклад, як слово ротатор, яке однаково читається як справа наліво, так і назад. Подібні зворотні повтори можуть служити основою для утворення структури шпильок або інших варіацій зі зміненим внутріцепочечним і межцепочечних спарюванням і формуванням на окремих ділянках потрійної спіралі. Можливо, ці паліндромний структури мають певний біологічний сенс в регуляції експресії окремих генів, виконуючи роль сайтів для ДНК-зв'язуючих білків. Має бути, однак, докласти чимало зусиль для встановлення, як точної структури цих варіацій, так і для визначення їх функціональної ролі.
Менш охарактеризована вторинна структура матричних і Хвороби. Щодо вторинної структури тРНК найбільш вірогідною представляється модель, запропонована Р. Холлі, плоске зображення якої нагадує лист конюшини. В теперішній час , Коли відома первинна структура більшості тРНК, послідовність всіх або майже всіх природних тРНК як нібито укладається в цю схему «конюшини». При порівнянні цих структур виявляється ряд закономірностей, безсумнівно, мають певний біологічний сенс. У всіх тРНК є ділянки, які взаємодіють з рибосомами, місця для зв'язування з амінокислотами і ферментами, а також специфічна послідовність трьох нуклеотидів (триплет), звана антикодоном, яка виявляється комплементарної тринуклеотидних послідовності мРНК (кодону), що кодує включення в білкову молекулу певної амінокислоти.
Незалежно від типу РНК синтезований в клітці продукт транскрипції завжди представлений єдиною ланцюгом, упакованої у вторинну структуру не випадково, а відповідно до програми ДНК. Оскільки в складі РНК є вільні 2'-оксигрупи рибози, не пов'язані зі стандартним крик-уотсоновскім справному азотистих основ, з'являються додаткові можливості освіти вторинної і третинної структур, що містять опуклості, шпильки, або хрестоподібні структури. Особливості структури тРНК мають пряме відношення до процесу трансляції, тому більш детально вони розглянуті в розділі біосинтезу білка .
Поділіться з Вашими друзями:
