Определение и общая характеристика нуклеиновых кислот
Нуклеиновые кислоты — высокомолекулярные соединения, мономерами которых являются нуклеотиды. По типу углеводного компонента различают два класса:
- РНК (рибонуклеиновые кислоты) содержат D-рибозу;
- ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты) содержат 2-дезокси-D-рибозу.
Каждый нуклеотид включает три компонента: остаток фосфорной кислоты, пентозу и азотистое основание.
Азотистые основания и нуклеозиды
Азотистые основания делятся на две группы:
- Пуриновые — аденин (A) и гуанин (G); мнемоника «пурГА»;
- Пиримидиновые — цитозин (C), тимин (T, только в ДНК) и урацил (U, только в РНК).
Пиримидиновое кольцо состоит из 6 атомов, пуриновое — из конденсированных 5- и 6-членного циклов. Для оснований с гидроксильной группой у атома углерода, соседнего с азотом цикла, характерна кето-енольная (лактим-лактамная) таутомерия. В лактамной форме основания сохраняют ароматичность, плоское строение и высокую термодинамическую стабильность.
Существуют минорные основания — модифицированные формы канонических: инозин (промежуточный продукт обмена пуринов), дигидроуридин, 5-метилцитозин, 7-метилгуанозин и др.
Нуклеозид — N-гликозид азотистого основания и пентозы (связь — N-гликозидная). Природные нуклеозиды являются β-аномерами и существуют в син- и анти-конформациях. Пентозный цикл принимает конформации C2-эндо/экзо или C3-эндо/экзо. Нуклеотид — фосфорный эфир нуклеозида (этерификация по 5′- или 3′-атому, связь сложноэфирная).
Циклические нуклеотиды (3′,5′-цАМФ, цГМФ) выполняют роль вторичных мессенджеров в передаче клеточного сигнала.
Коферменты на основе нуклеотидов: НАД и ФАД
НАД (никотинамидадениндинуклеотид) существует в окисленной (НАД⁺) и восстановленной (НАДН) формах. Основные функции:
- участие в окислительно-восстановительных реакциях гликолиза, цикла Кребса, дыхательной цепи;
- энергетический метаболизм — НАДН передаёт электроны в ЦПЭ, обеспечивая синтез АТФ;
- сигнальная функция — субстрат сиртуинов, синтез циклической АДФ-рибозы;
- репарация ДНК — субстрат фермента ПАРП (поли-АДФ-рибозополимеразы), участвующего в восстановлении одноцепочечных разрывов.
ФАД (флавинадениндинуклеотид) и его восстановленная форма ФАДН₂ работают акцепторами/донорами электронов и протонов в цикле Кребса, окислительном фосфорилировании и ряде дегидрогеназных реакций.
Первичная структура и правила Чаргаффа
Первичная структура — последовательность нуклеотидов, соединённых фосфодиэфирными связями. В геноме эукариот выделяют три типа последовательностей ДНК:
- уникальные (~60%) — кодируют специфические белки;
- умеренно повторяющиеся (10–25%, десятки–сотни копий) — гены тРНК, рРНК, гистонов;
- часто повторяющиеся (>100 копий) — сателлитная ДНК центромерных участков, участвующая в распределении хромосом в митозе и мейозе.
Правила Чаргаффа:
- сумма пуринов равна сумме пиримидинов: A+G = T+C;
- молярные доли: A = T, G = C (для двуцепочечной ДНК);
- коэффициент специфичности (G+C)/(A+T): для ДНК обычно <1 (преобладает АТ-тип), для РНК — обычно >1 (ГЦ-тип).
Вторичная структура ДНК и РНК
Вторичная структура стабилизируется водородными связями между комплементарными парами оснований (уотсон-криковские пары A=T и G≡C антипараллельных цепей), стэкинг-взаимодействиями и электростатическими силами. Сила стэкинга убывает в ряду: пурин–пурин > пурин–пиримидин > пиримидин–пиримидин.
Основные формы двойной спирали ДНК:
- B-форма — правозакрученная, диаметр ~20 Å, 10 пар на виток, шаг 3,4 Å;
- A-форма — правозакрученная, более широкая (26 Å), 11 пар на виток;
- Z-форма — левозакрученная, 18 Å, 12 пар на виток, шаг 3,7 Å.
Возможны неканонические хугстиновские пары, формирующиеся при иной геометрии связей и образующие, например, тройные спирали. Особенности трёхмерной организации ДНК включают изгибы (≥4 остатков аденозина), палиндромы и инвертированные повторы (шпильки, кресты), зеркальные повторы и суперспирализацию, обеспечиваемую топоизомеразами.
Вторичная структура РНК образована шпильками и петлями за счёт пар A–U и G–C. Ключевые элементы тРНК: акцепторный участок, антикодоновая, дигидроуридиновая и псевдоуридиновая петли, добавочная петля. Шпильки участвуют в распознавании кодона, ро-независимой терминации транскрипции, инициации трансляции и каталитической активности рибозимов. Псевдоузлы относят к расширенному пониманию вторичной структуры.
Третичная структура и упаковка ДНК
Третичная структура — пространственное расположение элементов вторичной структуры. У прокариот и вирусов реализуется через суперспирализацию, у эукариот — через комплексы с гистоновыми белками, богатыми лизином и аргинином. Различают линкерный гистон H1 и коровые H2A, H2B, H3, H4; они подвергаются метилированию, ацетилированию, АДФ-рибозилированию.
Уровни упаковки ДНК эукариот:
- Нуклеосомный — 1,65 оборота ДНК вокруг кора; компактизация ~7×;
- Соленоид — конденсация нуклеосом при участии H1; ~100×;
- Петельный — нити 30 нм образуют петли на белковом каркасе;
- Складчатый — дальнейшая конденсация петель; суммарно ~10 000×.
Третичная структура РНК образуется при взаимодействии спирализованных участков и дополнительно стабилизируется ионами двухвалентных металлов, в первую очередь Mg²⁺.
Физико-химические свойства ДНК
- Денатурация — разрыв водородных связей и расхождение цепей при нагревании, изменении pH, действии формамида или механическом воздействии;
- Ренатурация (отжиг) — восстановление двойной спирали при медленном охлаждении или удалении денатурирующих агентов;
- Гибридизация — спонтанное образование комплементарных пар между цепями;
- Гиперхромный эффект — увеличение оптической плотности раствора при денатурации вследствие разрушения водородных связей;
- Поглощение УФ при 260 нм — основа спектрофотометрического определения концентрации;
- Высокая вязкость — следствие большой молекулярной массы и спиральной структуры;
- Реакционная способность — гидролиз, алкилирование, окисление, метилирование.
Виды РНК и их локализация
- Матричная (мРНК, иРНК) — одноцепочечная, переносит информацию от ДНК к рибосомам;
- Транспортная (тРНК) — короткая молекула с антикодоном, доставляет аминокислоты к рибосоме;
- Рибосомальная (рРНК) — структурно-функциональный компонент рибосом;
- Микро-РНК (miRNA) — короткие регуляторы экспрессии генов, подавляющие трансляцию мРНК;
- Длинные некодирующие РНК (lncRNA) — участвуют в регуляции экспрессии и эпигенетических процессах.
РНК преимущественно одноцепочечная, имеет отрицательный заряд за счёт фосфатных групп, способна формировать вторичные и третичные структуры. Локализация: ядро (транскрипция, биогенез рРНК), цитоплазма (мРНК, тРНК, рРНК на рибосомах), митохондрии и хлоропласты, обладающие собственной системой синтеза РНК.
Ключевые моменты
- Нуклеотид = азотистое основание + пентоза + фосфат; нуклеозид — без фосфата.
- Пуриновые основания (A, G) и пиримидиновые (C, T, U); тимин только в ДНК, урацил только в РНК.
- НАД и ФАД — нуклеотидные коферменты, переносчики электронов и протонов; НАД участвует в репарации ДНК через ПАРП.
- Правила Чаргаффа: A=T, G=C; коэффициент (G+C)/(A+T) характеризует тип нуклеиновой кислоты.
- Двойная спираль ДНК существует в B-, A- и Z-формах; стабилизируется водородными связями и стэкингом.
- Уровни упаковки ДНК эукариот: нуклеосома → соленоид → петли → складки; компактизация ~10 000×.
- Денатурация сопровождается гиперхромным эффектом — ростом поглощения при 260 нм.
- Основные виды РНК: мРНК, тРНК, рРНК, miRNA, lncRNA — различаются функцией и локализацией.