Строение нуклеотидов

Каждый нуклеотид содержит 3 химически различных компонента: гетероциклическое азотистое основание, моносахарид (пентозу) и остаток фосфорной кислоты. В зависимости от азотистого основания, существуют два типа нуклеотидов: пуриновые - аденин (А), гуанин (G) и пиримидиновые - цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U). При написании структурных формул нуклеотидов, нумерация атомов в кольцах пурина и пиримидина записывается внутри цикла (рис.1). Молекулы сахаров в нуклеотидах представлены либо остатком рибозы (в составе РНК), либо дезоксирибозы (в составе ДНК). Чтобы отличить номера атомов в пентозах от нумерации атомов в основаниях, обозначение номера атома указывают цифрой со штрихом и запись производят с внешней стороны кольца. (') - 1', 2', 3', 4' и 5' (рис. 4-3).

Рис. 1. Пуриновые и пиримидиновые основания, входящие в состав нуклеотидов ДНК и РНК.

Рис. 2. Структурная формула пентоз, входящих в состав нуклеотидов: β-D-рибоза в составе нуклеотидов РНК и β-D-2-дезоксирибоза в составе нуклеотидов ДНК.

Пентозу соединяет с азотистым основанием N-гликозидная связь, образованная С₁-атомом пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и N₁ -атомом пиримидина или N₉-aтомом пурина (рис. 1, рис. 3.) Такое образование называют нуклеозидом, при присоединении остатка фосфорной кислоты к пентозе через 5'-ОН –группу нуклеозид превращается в нуклеотид.

Таким образом, остов полинуклеотидной цепи ( одинарной цепи нуклеиновой кислоты) имеет одинаковое строение по всей длине молекулы и состоит из чередующихся групп - пентоза-фосфат-пентоза. Вариабельными группами в полинуклеотидных цепях являются азотистые основания - аденин, гуанин, цитозин, тимин (урацил). Уникальность структуры и функциональная индивидуальность молекул ДНК и РНК определяются их первичной структурой - последовательным расположением нуклеотидов в цепи. В состав нуклеиновых кислот входят монофосфаты, т.е. нуклеотиды содержащие лищь один остаток фосфорной кислоты. В таблице 1 приведены номенклатура и буквенные обозначения монофосфатов. Кроме нуклеозидмонофосфатов, в клетках присутствуют нуклеозиддифосфаты , нуклеозидтрифосфаты, содержащие, соответственно, два или три остатков фосфорной кислоты. Так, если к молекуле АМФ присоединить еще один остаток фосфорной кислоты, то получится молекула АДФ, если присоединить два остатка фосфорной кислоты - молекула АТФ (Рис. 4).

Рис. 3. Образование пуриновых (АМФ) и пиримидиновых (ЦМФ) нуклеотидов.

Таблица 1. Номенклатура нуклеозидов и нуклеотидов, входящих в состав нуклеиновых кислот

Азотистое основание	Нуклеозид	Нуклеотид	Трёхбуквенное обозначение	Однобуквенный код
Аденин	Аденозин	Аденозинмонофосфат	АМФ	А
Гуанин	Гуанозин	Гуанозинмонофосфат	ГМФ	G
Цитозин	Цитидин	Цитидинмонофосфат	ЦМФ	С
Урацил	Уридин	Уридинмонофосфат	УМФ	U
Тимин	Тимидин	Тимидинмонофосфат	ТМФ	Т

Рис. 4. Нуклеозидмонофосфат, нуклеозидиофосфат и нуклеозидтрифосфат аденозина. Нуклеотиды - фосфорные эфиры нуклеозидов. Остаток фосфорной кислоты присоединён к 5'-углеродному атому пентозы (5'-фосфоэфирная связь).

Структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК)

Первичная структура ДНК - порядок чередования дезоксирибонуклеозидмонофосфатов (дНМФ) в полинукпеотидной цепи. Каждая фосфатная группа в полинуклеотидной цепи, за исключением фосфорного остатка на 5'-конце молекулы, участвует в образовании двух эфирных связей с участием 3'- и 5'-углеродных атомов двух соседних дезоксирибоз, поэтому связь между мономерами называют 3', 5'-фосфодиэфирной связью (Рис. 5).

Рис. 5. Первичная структура фрагмента одной цепи ДНК, состоящего из трех нуклеотидов

Концевые нуклеотиды ДНК различаются по структуре: на 5'-конце находится фосфатная группа, а на 3'-конце цепи - свободная ОН-группа. Эти концы называют 5'- и 3'-концами плинуклеотидной цепи. Линейная последовательность дезоксирибонуклеотидов в полимерной цепи ДНК сокращённо записывают с помощью однобуквенного кода от 5'- конца к 3'-концу, например -A-G-C-T-T-A-C-A- .

В каждом мономере нуклеиновой кислоты присутствует остаток фосфорной кислоты. При рН 7 фосфатная группа полностью ионизирована, поэтому in vivo нуклеиновые кислоты существуют в виде полианионов (имеют множественный отрицательный заряд), и соответственно, хорошо растворяются в воде. Остатки пентоз тоже проявляют гидрофильные свойства. Азотистые основания почти нерастворимы в воде, но некоторые атомы пуринового и пиримидинового циклов способны образовывать водородные связи.

Вторичная структура ДНК. В 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком была предложена модель пространственной структуры ДНК. Согласно этой модели, молекула ДНК имеет форму спирали, образованную двумя полинуклеотидными цепями, закрученными относительно друг друга и вокруг общей оси.

Рис. 6. Модель двойной спирали фрагмента молекулы ДНК. А- образование спирали; Б- трехмерная модель

Молекулы ДНК состоят из двух антипараллельных цепей с комплементарной последовательностью нукпеотидов. Цепи закручены относительно друг друга в правозакрученную спираль так, что на один виток приходится примерно 10 пар нуклеотидов.

Двойная спираль правозакрученная, полинуклеотидные цепи в ней антипараллельны (рис. 6), т.е. если одна из них ориентирована в направлении 3'→5', то вторая - в направлении 5'→3'. Поэтому на каждом из концов молекулы ДНК расположены 5'-конец одной цепи и 3'-конец другой цепи. На 5'-конце располагается свободная т 5'-ОН –группа дезоксирибозы, иногда она может быть фосфорилированной . На другом конце располагается свободная 3'-ОН сахара, она также может быть этерифицирована фосфатной группой.

Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК изображают в виде последовательности букв, обозначающих соответствующие основания. Например, если имеется следующий фрагмент двухцепочечной ДНК:

5' CATGTA 3'

3' GTAСAT 5'

Такую структуру представляют в виде простой одноцепочечной последовательности:

CATGTA

Если последовательность нуклеотидов записывается, начиная с 5'-конца, нет необходимости указывать 5' и 3' – концы.

Все основания цепей ДНК расположены внутри двойной спирали, а пентозофосфатный остов - снаружи. Полинуклеотидные цепи удерживаются относительно друг друга за счёт водородных связей между комплементарными пуриновыми и пиримидиновыми азотистыми основаниями А и Т (две связи) и между G и С (три связи) (рис. 7). При таком сочетании каждая

Рис. 7. Образование комплементарных пурин-пиримидиновые пары оснований в двойной цепи ДНК . Пара Ц - Г стабилизируется тремя водородными связям, пара А – Т - двумя водородными связями

пара содержит по три кольца, поэтому общий размер этих пар оснований одинаков по всей длине молекулы. Водородные связи при других сочетаниях оснований в паре возможны, но они значительно слабее. Последовательность нуклеотидов одной цепи полностью комплементарна последовательности нуклеотидов второй цепи. Поэтому, согласно правилу Чаргаффа (Эрвин Чаргафф в 1951 г. установил закономерности в соотношении пуриновых и пиримидиновых оснований в молекуле ДНК), число пуриновых оснований (А + G) равно числу пиримидиновых оснований (Т + С). Спонтанный процесс образования пар оснований называют гибридизацией. Если молекулу ДНК разрезать на короткие двухцепочечные фрагменты длиной от 20 до 100 нуклеотидов, а затем нагреть до 95 С , водородные связи между комплементарными основаниями разрушются и двухцепочечная цепь распадается на две одноцепочечные фрагменты. Этот процесс называют плавлением ДНК ( тепловой денатурацией). Однако, если раствор ДНК охладить, то одноцепочечные фрагменты ДНК начнут снова превращаться в двухцепочечные за счет спаривания по комплементарных участков. Такая техника гибридизации молекул называется отжигом, ренатурацией ей

Комплементарые основания уложены в стопку в сердцевине спирали. Между основаниями двухцепочечной молекулы в стопке возникают Ван-Дер-Ваальсовы (стэкинг) взаимодействия , стабилизирующие двойную спираль.

Такая структура исключает контакт азотистых остатков с водой, но стопка оснований не может быть абсолютно вертикальной. Пары оснований слегка смещены относительно друг друга, как показано на рисунке . В образованной структуре различают две бороздки - большую, шириной 2,2 нм, и малую, шириной 1,2 нм. Азотистые основания в области большой и малой бороздок взаимодействуют со специфическими белками, участвующими в организации структуры хроматина.

Описанная выше конформация известна как В-форма спирали, в такой форме ДНК обычно находится в клетке. Однако, в зависимости от условий , ДНК может изменять свою форму. При обезвоживании клетки, двойная спираль приобретает более сплющенную форму с большим углом наклона оснований, и приобретает так называемую А-форму. В частности, в А-форма ДНК встречается в спорах растений. Известна еще одна форма ДНК, Z- форма, когда сахарофосфатный остов образует зигзагообразную форму вдоль спирали. В такой форме спираль закручена не вправо как в В- и А- формах, а влево. Биологическое значение А и Z – форм пока не известно, предполагается что такие формы представляют приспособительные конфигурации ДНК в различных участках хромосом. Важным свойством двойной спирали является ее способность изгибаться. Молекулы ДНК в миллионы раз длинее, чем размеры ядра и клетки, и соответственно, для упаковки ДНК в них она должна быть гибкой. Следует отметить, что ДНК почти всегда находиться в форме двойной спирали, за исключением одноцепочечных ДНК некоторых бактериальных вирусов.

Рис.8. Схематическое изображение двойной спирали ДНК. а - по Уотсону и Крику; б - А-форма ДНК; в - В-форма ДНК.

с - остаток дезоксирибозы, р - остаток фосфорной