Общие представления о нуклеиновых кислотах

Дезоксирибонуклеиновая кислота – ДНК является универсальным биологическим текстом, в котором закодированы структура и функции живых организмов, а также структура и функции биологических единиц, не обладающих всеми свойствами живого – ДНК-содержащих вирусов.

ДНК – это биологический гетерополимер, в обычном состоянии первичная структура ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух длинных полимеров, закрученных вокруг общей оси. Ширина спирали составляет 2–2.6 нм. Две цепи ДНК, образующие спираль, по своей химической структуре являются антипараллельными, т.е. ориентированы в противоположные стороны. В живой клетке спираль образует компактизированную структуру, в которой ДНК намотана на хроматиновые белки, или гистоны. Остов ДНК образован сахарофосфатными группами, соединенных сложноэфирными связями. Сахарид, входящий в состав ДНК (дезоксирибоза, или 2-deoxyribosa) является пентозой, т.е. 5-углеродным сахаром. У этого сахарида в позиции 2’ пентозного кольца гидроксильная группировка отсутствует. Единицами, или мономерами ДНК являются нуклеотиды. К каждому сахариду сахарофосфатного остова присоединено через гликозидную связь, в позиции пентозного кольца 1’, основание (nucleobase). Основание, соединенное с сахаридом образует нуклеозид, а нуклеозид, соединенный с остатком фосфорной кислоты в позиции пентозного кольца 5’, образует нуклеотид. Один нуклеотид в составе спирали ДНК имеет ширину порядка 0.33 нм. В ходе репликации ДНК в живых клетках происходит удвоение, или дуплицирование двойной спирали. В результате репликации образуется две идентичные копии двойной спирализированной молекулы ДНК.

Ориентация концов одноцепочечной молекулы ДНК определяется положением гидроксильной группы (–ОН). Конец молекулы, на котором имеется свободная гидроксильная группа, находящаяся в позиции 3’ пентозного кольца, называется три-штрих, или три-прим концом. Противоположный конец, на котором имеется остаток фосфорной кислоты, присоединенный к углеродному атому 5’ дезоксирибозы, называется пять-шрих, или пять-прим концом.

На схемах остатки фосфорной кислоты обозначают p, а основания – B.

В рибонуклеиновой кислоте (РНК) в остов молекулы входит сахарид рибоза, у которого, в отличие от дезоксирибозы, в позиции 2’ пентозного кольца имеется гидроксильная группировка.

Основания в составе ДНК делятся на пурины (сокращенно обозначаются Pu или по международной номенклатуре IUPAC, R) и пиримидины (Py, или по международной номенклатуре IUPAC, Y). Пуриновые основания имеют два кольца, состоящие из атомов углерода и азота, а пиримидины – одно кольцо. К пуринам принадлежат аденин и гуанин, к пиримидинам – цитозин и тимин, а также урацил, который заменяет тимин в РНК. Метилирование является способом модификации нуклеотидов в живых системах. Наиболее распространенный пример метилирования – это 5-метилцитозин.

Нуклеотиды имеют свои сокращенные обозначения и полные названия.

При этом полные названия пуриновых нуклеотидов оканчиваются на -озин, а полные названия пиримидиновых – на -идин.

В двойной молекуле ДНК нуклеотиды образуют комплиментарные (взаимодополняющие) пары пурины-пиримидины, объединенные водородными связями. Водородные связи образуются между атомами водорода одного основания и атомами кислорода либо азота другого основания. Между A и Т образуется 2 водородные связи, между G и С – три. По этой причине пары G-C связаны более прочно.

В векторных системах ДНК используется как в одноцепочечной (ssDNA), так и двухцепочечной (dsDNA) форме. Одна из цепей, кодирующая белок, называется смысловой (или плюс-нитью), а комплиментарная ей – антисмысловой (или минус-нитью). Иными словами, одна цепь несет смысловую последовательность, или смысловой сиквенс нуклеотидов, а другая – антисмысловую. У прокариот имеется тенденция компактной организации генома, при которой в некоторых участках генома кодирующими могут быть обе нити.

При температуре 90–95ºС водородные связи между нитями ДНК рвутся, и двунитевая ДНК разделяется на две однонитевые молекулы. Этот процесс называется денатурацией, или плавлением. Если молекулы находятся в растворе, то при понижении температуры они ассоциируются вновь, благодаря комплиментарным взаимодействиям между нуклеотидами. Этот процесс называют ренатурацией или гибридизацией. При этом нити ДНК «схлопываются» подобно застежке-молнии.