Начнем с ДНК. Ее физические характеристики и «конструктивные» особенности были достаточно подробно описаны во введении. Настало время подробнее познакомиться с нуклеотидами, уточнить понятие «комплементарное», конкретно познакомиться со слабыми («водородными») связями, удерживающими две цепи ДНК друг подле друга, и строением самих цепей.
Путем ферментативного гидролиза гигантские молекулы ДНК удается полностью разбить на составляющие звенья и разделить их с помощью уже упомянутого метода хроматографии. Физико-химический анализ показал, что эти звенья («нуклеотиды») имеют в своем составе (подобно аминокислотам) одинаковые линейные элементы, которые собственно говоря, и выстраивают цепь, а также боковые ветви («нуклеиновые основания»), которыми они отличаются. Таковых оказалось, действительно всего четыре: два относительно меньших размеров —цитозин (Ц) и тимин (Т) и два более крупных — аденин (А) и гуанин (Г), и основание урацил (У), которое в РНК заменяет тимин.
Менее крупные молекулы (Ц, Т, У) являются производными молекулы пиримидина и потому называются пиримидиновыми основаниями. Две более крупных молекулы, — производные пурина, — именуются пуриновыми основаниями,
Все эти нуклеиновые основания содержат гетероциклы с сопряженными связями. Такие молекулы обладают ярко выраженной гидрофобностью и, кроме того, сильно поглощают ультрафиолетовый свет вблизи максимума поглощения при длине волны 260 тц. (По интенсивности УФ-поглощения можно количественно определять содержание ДНК или РНК в водном растворе.) Все эти молекулы плоские и содержат активные атомы и группы (N, NH, NH3, О), способные образовывать водородные связи. Ковалентные связи всех нуклеиновых оснований с линейными частями звеньев ДНК и РНК осуществляются по NH-группам, окруженным пунктирами.
Теперь мы уже можем их назвать — это пары: А—Т и Г—Ц.
Заметим, что в паре Г—Ц три связи, а в А—Т только две. Мы вправе заключить, что первая пара связана прочнее. Анализ наружных («линейных») участков нуклеотидов ДНК подтвердил, что они содержат плоские молекулы сахара дезоксирибозы (у РНК — рибозы)
В пятичленных кольцах этих Сахаров находится по четыре атома углерода, пятый атом углерода расположен вне кольца. Следует обратить внимание на нумерацию углеродов от Г до 5' (штрихи при номерах роли не играют — они «пришли» из общепринятой химической номенклатуры). Обведенные пунктиром гидроксилы в обеих молекулах участвуют в образовании ковалентных связей с нуклеиновыми основаниями.
В линейную часть звена ДНК (и РНК) входит еще остаток ортофосфорной кислоты. На рис. 25 изображена в полном составе пара кодирующих звеньев ДНК. В изображении используются общепринятые упрощения: во всех свободных углах колец надо представить себе стоящие там атомы углерода, а на концах выходящих из этих углов черточек — атомы водорода. Еще раз обратите внимание на нумерацию углеродов в дезоксирибозах. Не случайно на рис. 25 правый нуклеотид (Т) изображен как бы «вниз головой» относительно левого нуклеотида (А). Как видно из рис. 26, такое относительное расположение имеет место во всех парах цепи ДНК. Оно диктуется необходимостью соответственного положения оснований (при котором сближены группы, образующие водородные связи) и сахаро-фосфатных связей между нуклеотидами каждой нити. Комплементарные нити ДНК оказываются противоположно направленными. Если, к примеру, мы примем за направление нити переход от 5'-углерода одной концевой молекулы дезоксирибозы, несущей фосфатную группу, к 3'-углероду другой концевой дезоксирибозы, несущей ОН-группу, то тем самым мы определим направление всей нити. Такое направление принято называть направлением от 5'-конца нити к ее 3'-концу или сокращению
|
На рис. эти направления для обеих нитей указаны стрелками. Они противоположны. Отсюда следует, что переходя от звена к звену в двунитевой ДНК (т. е. от одной пары связанных нуклеиновых оснований к следующей паре) мы неизбежно будем двигаться по одной нити в направлении 5'-3', а по второй в направлении 3'-5'. Это обстоятельство следует запомнить.
На рис. для простоты нуклеиновые основания были обозначены кружками. Рис. 2 изображает полную структуру двухзвенного фрагмента ДНК. Штриховка означает, что плоскости оснований перпендикулярны направлению параллельных сахаро-фосфатных цепочек.
Рис. 2
Сопоставив суммарные элементарные составы пар А—Т и Г— Ц легко подсчитать, что они почти одинаковы. Если же учесть, что усреднение элементарного состава всей молекулы ДНК происходит по более, чем миллиону пар, можно с еще большей уверенностью, чем для белков, утверждать, что элементарный состав всех ДНК одинаков. Он оказался совсем иным, чем у белков (см. выше), а именно: 33,1% С; 38,2% О; 15,7% N и 9,3% Р.
Подробно рассмотрев состав и структуру ДНК, можно для РНК ограничиться лишь краткими замечаниями. С учетом того, что замена тимина на урацил в составе РНК ведет к отличию всего в двух атомах водорода, а дезоксирибозы на рибозу — в одном атоме кислорода, можно утверждать, что элементарный состав РНК такой же, как у ДНК. Главное отличие в том, что большинство РНК — однонитевые молекулы. Им ведь нет нужды реплицироваться. (Впрочем, последнее замечание сегодня, в 2001 году, звучит не столь категорически, как даже год назад, ввиду совсем недавнего обнаружения возможности репликации РНК с помощью фермента «рйбозима».)
Давно известно, что на отдельных небольших участках нить РНК может спариваться сама на себя, благодаря разнесенным по ее длине комплементарным участкам. Такое образование двунитевых участков, по-видимому, важно для структурирования и функционирования больших (например, рибосомальных) молекул РНК и малых молекул тРНК.
Наконец, следует иметь в виду, что растворы РНК, благодаря гибкой однонитевой структуре ее молекул, обладают гораздо меньшей вязкостью, чем растворы ДНК. Еще, в отличие от ДНК, РНК можно расцепить до нуклеотидов обработкой слабым щелочным раствором. Способность к поглощению света в УФ-области у обоих типов молекул нуклеиновых кислот одинакова.