Курс лекций по молекляргной биологии
advertisement
Курс лекций по молекляргной биологии Преподаватель к.б.н., доцент Г.И. Али-заде Лекция 1. Структура нуклеиновых кислот Нуклеиновые кислоты –это полимеры, состоящие из четырех различных нуклеотидов, каждый из которых содержит азотистое основание, соединенное N –гликозидной связью с пентозой (дезоксирибозой в ДНК и рибозой в РНК), и фосфорную кислоту, которая этерифицирует одну из спиртовых групп пентозы. В ДНК азотистыми основаниями являются два пуриновых основания –аденин и гуанин и два пиримидиновых - цитозин и тимин. В РНК три первых основания те же, а тимин заменен урацилом. Нуклеотиды соединены между собой в полинуклеотидную цепь с помощью фосфорнодиэфирных связей между 5/ и 3/ -положениями пентозы. Порядок, в котором связаны нуклеотиды, составляет первичную структуру нуклеиновой кислоты: на концах цепи расположены остатки пентозы, один из которых имеет свободную или фосфорилированную спиртовую группу в 5/- положении, а другой – в 3/- положении. Кристаллографическое изучение ДНК методом дифракции рентгеновских лучей показало, что она состоит из двух цепей, обладающих спиральной структурой, причем эти цепи соединены друг с другом водородными связями между основаниями. Последние находятся внутри двойной спирали, а остатки сахара и фосфата – снаружи, что делает эту структуру похожей на винтовую лестницу, перилам которой соответствуют остатки пентозы и фосфаты, а ступенькам - азотистые основания. Такова вторичная структура ДНК. Спаривание оснований очень специфично: оно всегда происходит между гуанином одной цепи и цитозином другой и соответственно между аденином и тимином, причем два первых основания образуют между собой три водородные связи, а аденин и тимин – две. Направление цепей в этой двойной спирали, или, как ее еще называют, двухцепочечной структуре, строго антипаралельно, так что на каждом из ее концов мы находим 5/ -конец одной цепи и 3/ -конец другой. Водородные связи относятся к слабым связям и могут быть разорваны или нагреванием до 100оС, или созданием щелочного рН, или, наконец, воздействием химических агентов, которые сами способны неспецифически образовывать водородные связи с основаниями. Доказательство комплементарного спаривания оснований в ДНК привело к открытиям, которые следует считать наиболее фундаментальными для биологии последних лет. Было показано, что эта комплементарность обеспечивает важнейшие свойства ДНК как носителя наследственной информации. Действительно, как репликация ДНК в ходе клеточного деления так и все механизмы, участвующие в проявлении генетической информации, основаны именно на таком взаимодействии, причем характер структуры ДНК и ее функция как носителя наследственной информации одинаковы у всех живых организмов. Рибонуклеиновые кислоты (РНК) редко выступают в качестве носителей наследственной информации и чаще выполняют в клетке другие функции: соответственно их вторичная структура гораздо менее единообразна, чем у ДНК, и зависит от функции. Только в тех случаях, когда РНК служит носителем наследственности ( у некоторых вирусов и бактериофагов ), она обладает сходной с ДНК двухцепочечной структурой. Во всех других случаях РНК структурирована гораздо слабее и состоит из одной цепи, отдельные участки которой способны образовывать двухцепочечные фрагменты путем спаривания оснований, входящих в различные участки одной и той же молекулы. Пространственная структура нуклеиновых кислот может быть организована и более сложным образом за счет укладки двойных спиралей самих на себя. Это состояние стабилизируется слабыми внутримолекулярными связями либо непосредственно между цепями ДНК, либо с участием белков, как это имеет место в случае ДНК хромосом и вирусов или РНК – в РНК- содержащих вирусах и рибосомах. Молекулярный вес ДНК, полученный одним из общепринятых методов, обычно лежит в диапазоне 5-20*106. Однако в настоящее время мы располагаем убедительными доказательствами того, что такие препараты на самом деле содержат лишь фрагменты молекул, присутствующих in vivo и разрушенных в процессе выделения в результате ферментативного или механического воздействия. Затруднение возникает при попытках использовать для определения молекулярного веса ДНК такие общепринятые методы, как метод светорассеяния, седиментационного равновесия, определения скорости седиментации и ряд других. Поскольку большинству этих методов либо присущи характерные внутренние ограничения, либо они не могут быть прокалиброваны для молекулярных весов, лежащих в области 30-300*106. Очевидно, что молекулярный вес препаратов ДНК, приведенный выше, далеко выходит за возможную область применения этих методов. Здесь приходит на помощь электронная микроскопия: на электронных микрофотографиях ДНК фага Т3, видны отдельные молекулы ДНК. Длина этих неветвящихся молекул в среднем равна 14 мкм, диаметр – около 20 Ао, а шаг (растояние между витками) 34 Ао.
