Нуклеиновые кислоты.: Часть 4

Видео

Конспект

Обратим внимание на отличия ДНК и РНК. По химическому составу молекулы отличаются входящими в них нуклеотидами: в ДНК дезоксирибонуклеотиды, а в РНК рибонуклеотиды, а также в молекуле ДНК не встречается урацил, а в РНК не встречается тимин. Помимо этого, молекула РНК чаще всего одноцепочечная (но существуют и двуцепочечные молекулы РНК, например, в геномах вирусов), а молекула ДНК чаще всего двуцепочечная (хотя у вирусов может встречаться и одноцепочечная молекула ДНК).

ДНК имеет строгое строение, определяющееся двумя принципами. Первый принцип - принцип антипараллельности - говорит о том, что в димере цепочек ДНК каждая из цепей противонаправлена другой, то есть напротив 5 ’-конца одной цепи всегда находится 3’-конец другой цепи. Второй принцип - принцип комплементарности - существуют правила взаимодействия между азотистыми основаниями: пурин всегда взаимодействует с пиримидином, а именно аденин в ДНК может взаимодействовать только с тимином, а гуанин взаимодействует только с цитозином. Такое взаимодействие возможно благодаря формированию водородных связей между атомами азота в цепочках ДНК. В паре аденин-тимин формируется 2 водородные связи, в паре гуанин-цитозин - 3 водородные связи.

Оба правила необходимы для того, чтобы между цепочками ДНК было одинаковое расстояние по всей длине для улучшения стабильности молекулы. Конечно же, из этих правил есть исключения, но они не рассматриваются в школьном курсе.

Цепочка ДНК может также взаимодействовать с цепочкой РНК. В момент транскрипции одна цепочка ДНК входит в состав гибридного дуплекса с образующейся на ней цепочкой РНК. Дуплекс - это термин обозначающий комплекс из двух цепей нуклеиновых кислот. В дуплексе ДНК-РНК действуют правила антипараллельности и комплементарности с учетом того, что аденин ДНК будет взаимодействовать с урацилом из РНК.

Принцип комплементарности необходим не только для стабилизации молекулы, но и для правильного синтеза молекулы ДНК. Во время репликации (удвоения молекулы ДНК) ДНК-полимераза, проходя по цепочке ДНК, ставит напротив каждого нуклеотида комплементарное ему азотистое основание. Благодаря тому, что ДНК является двуцепочечной молекулой, соблюдающей правило комплементарности, эта молекула может легко «чиниться», если в одной из цепочек произойдет мутация: вся мутировавшая часть удаляется и заново комплементарно выстраивается по второй, немутировавшей, цепочке.

Как открыли правило комплементарности? Основы для открытия принципа заложил американский биохимик Эрвин Чаргафф. Ученый выделял молекулы ДНК из разных источников, гидролизовал их до нуклеотидов и подсчитывал количество пуринов и пиримидинов. Оказалось, что количество пуринов всегда было равно количеству пиримидинов. На основании своих экспериментов американский биохимик выдвинул правило Чаргаффа, которое гласит, что сумма количества пуринов в молекуле ДНК равна сумме количества пиримидинов или, в упрощенной форме, A+Г=T+Ц. Это правило работает только для двуцепочечных молекул ДНК. Английский биофизик и ученая-радиограф Розалинда Франклин еще больше приблизила научное сообщество к открытию принципа комплементарности и взаимодействия азотистых оснований в ДНК, опубликовав первую рентгенограмму волокна натриевой соли ДНК. На ее лекции о структуре ДНК присутствовал Джеймс Уотсон, который впоследствии со своим коллегой Фрэнсисом Криком сформировал теорию строения ДНК и описал структуру молекулы ДНК, за что им была вручена Нобелевская премия.

Теперь обратимся к вопросу: почему в ДНК используется тимин, а не урацил? Тимин является производным урацила (по-другому тимин можно назвать 5метилурацил). Дело в том, что при хранении в молекуле ДНК может спонтанно происходить дезаминирование цитозина. При дезаминировании, молекула цитозина превращается в урацил. Так как в ДНК урацил в норме не встречается, ферменты репарации сразу же реагируют на появившийся урацил и зампеняют его на цитозин.