Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

меют строго детерминированную пространственную структуру. Следовательно, только установив ее на атомном уровне, можно на атомном же уровне понять механизм функционирования.

Структуру нуклеотидов можно изучать различными методами. Наиболее мощным среди них является рентгеновская кристаллография. Пионером рентгеновских исследований нуклеозидов был Фурберг, который в 1951 г. опубликовал данные о кристаллической структуре цитидина [1] (рис. 1.2). В те дни карты электронной плотности, построенные по многим тысячам отражений, рассчитывались вручную, поэтому основным фактором, лимитирующим определение кристаллической структуры, было время. Для установления структуры даже таких малых молекул, как нуклеозиды, требовались годы. Благодаря современной технике теперь на это уходят не годы, а дни, и к настоящему времени установлена кристаллическая структура более 600 нуклеозидов, нуклеотидов, олигонуклеотидов и их составлящих. Этот огромный материал вместе со спектроскопическими данными и результатами теоретических расчетов позволяет с большой определенностью говорить о структурных особенностях нуклеотидов на атомном уровне.

От нуклеотидов к двойной спирали ДНК. Принцип структурной организации, совершивший революцию в биохимии. В 1951 г., когда Фурберг опубликовал работу о молекулярной структуре первого нуклеозида, строение ДНК было еще неизвестно. Что является основой наследственности? Каким образом наследственный материал-ДНК-воспроизводится от поколения к поколению? Как осуществляется биосинтез белка и по какой системе устанавливается соответствие между нуклеотидной последовательностью в ДНК и последовательностью аминокислот в белке? Даже принимая во внимание полученные в лаборатории Тодда данные о том, что линейная полимерная молекула ДНК состоит из нуклеотидов, связанных друг с другом 3',5'-фосфодиэфирными связями [2], ответить на эти вопросы, опираясь только на химические данные, было невозможно.

Необходимая для этого дополнительная информация была получена Чаргаффом с сотрудниками, которые показали, что в ДНК с самым различным нуклеотидным составом отношения А/Т и G/C всегда равны единице [3]. На первых рентгенограммах волокон ДНК Астбери обнаружил очень сильный меридиональный рефлекс, соответствующий рас-

14

Глава 1

стоянию 3,4 А [4]; это означало, что основания уложены одно над другим. Исходя из данных по электрохимическому титрованию, Галланд [5] заключил, что основания связаны друг с другом водородными связями. Новые рентгеновские данные, полученные в лаборатории, где работал Уилкинс, указывали на спиральное строение молекулы ДНК, которая способна принимать разные коиформации в зависимости от относительной влажности среды и наличия противоионов [6].

У

1

2

Рис. 1.2. Проекция структуры цитидина на плоскость, перпендикулярную кристаллографической оси с, полученная в результате анализа кристаллической структуры. Длины связей выражены в ангстремах; водородные связи обозначены пунктиром. Обратите внимание на то, что атомы С4 и 05. (по новой номенклатуре атомы С6 и Os.) достаточно близко подходят друг к другу; этот факт был вновь обнаружен лишь много лет спустя (разд. 4.9) после выхода работы, из которой взят этот рисунок [1].

Почему мы изучаем структуру нуклеиновых кислот?

15

А-Т-

^=А-Т,

•Т---А-

Рис. 1.3. Схематическое изображение двойной спирали ДНК [10]. Сахаро-фосфатные цепи расположены по периферии молекулы и направлены ан-типараллельно друг другу. Пары оснований (AT и GC), изображенные в виде жердочек между цепями, расположены друг над другом в центре спирали.

Все части этой головоломки были собраны воедино Уотсоном и Криком [7, 8]. Они предложили модель молекулы ДНК, в которой аденин специфически соединяется с тимином, а гуанин-с цитозином с помощью водородных связей; эта модель полностью объясняла данные Чаргаффа и Галланда. Исходя из рентгеновских данных Астбе-ри и Уилкинса, Уотсон и Крик сделали вывод, что пары оснований уложены наподобие стопки монет на расстоянии 3,4 А друг от друга. При этом соседние пары повернуты на угол 36°, в результате чего образует-Рся правая двойная спираль с десятью парами оснований на виток (рис. 1.3). Исходя из фурберговской структуры цитидина, Уотсон и Крик приписали каждому нуклеотиду определенные размеры и форму и построили модель спирали, в которой основания расположены вдоль оси спирали, а два сахарофосфатных остова-по периферии и закручены антипараллельно друг на друга.

Это открытие, удостоенное Нобелевской премии в 1962 г. и описанное в занимательной книге Уотсона «Двойная спираль» ([9]; дополнение 1.1), ответило на многие вопросы, выдвинуло ряд новых проблем и привело к бурному развитию целого ряда областей биохимии и генетики. Подчеркнем, что все это стало возможным лишь после того, как была определена структура генетического материала-молекулы ДНК.

16

Глава I

От двойной спирали к хромосоме: несколько впечатляющих цифр.

Установление структуры ДНК не исчерпало, однако, всех проблем. В клетке молекула ДНК характеризуется более высоким уровнем организации. Суммарная длина ДНК в классах организмов, стоящих на разных ступенях эволюционной лестницы, варьирует от нескольких микрометров до нескольких сантиметров (рис. 1.4). ДНК бывает локализована в вирусных частицах, в клетках прокариот и в ядре эукариотических клеток. В соматических клетках человека находится 46 хромосом, каждая из которых содержит по одной двухцепочечной молекуле ДНК длиной примерно 4 см. Если все молекулы ДНК, заключенные в соматической клетке, соединить друг с другом, получится цепочка длиной

Относительное содержание ДНК, % 0,01 0,1 1,0 10,0 100

Вирусы

Число нуклеотидных пар ДНК в клетке (гаплоидный набор)

105 106 107 10е 109

— I III llllll I I I "nil i i i i mil i i i mill iii i nnl i i i i

I I 1 I I-1-

10MKM 100 MKM 1 мм 1см 10 CM 1M

Суммарная длина ДНК. содержащейся в клетке

Рис. 1.4. Количество ДНК в клетках организмов, стоящих на разных уровнях организации. Длина ДНК определялась по числу нуклеотидных пар в клетке, при условии что расстояние между соседними парами оснований равно 3,4 А. Ось ординат не проведена, поэтому точная форма кривой может быть иной; представленная кривая показывает лишь, что с усложнением организма увеличивается содержание ДНК

Почему мы изучаем структуру нуклеиновых кислот?

17

Рис. 1.5. Электронная микрофотография хромосомы из клеток Hela, у которой удалены гистоны, на стадии метафазы [11]. Видны Х-образный контур белкового каркаса и часть окружающей его ДНК

примерно 2 м. С помощью небольших белков гистонов, содержащих много основных аминокислот, такая двухметровая цепочка упаковывается в ядре диаметром 0,5 мкм. Это соответствует упаковке нити диаметром 0,1 мм и длиной 100 км внутри сферы диаметром 25 см. В ядре помещаются еще и гистоны, которые упорядочивают и удерживают вместе молекулы ДНК. Если удалить гистоны и рассмотреть хромосому под электронным микроскопом, можно увидеть переплетенные цепи ДНК, которые окружают белковый каркас (рис. 1.5).

2-509

18

Глава I

Box 1.1

Shortened Version of J.D. Watsons Book «The Double Helix»

Hear the song of how the spiral Complex, twisted, double, chiral Was discovered. Its construction Following some shrewd deductuon Was accomplished. From all sides "Oh tell it as it was" they cried so Then he took his pen and paper And composed the helix caper Writing of the Cambridge popsy Turned the world of science topsy

Turvy like had not before been Done. The story is no more than How the structure was

discovered Secret of the gene uncovered Biological prediction Better than a work of fiction Stylistically breezy Everything appeared made easy . And it was. The bases, pairing Found at last-a small red

herring

Notwithstanding. How he found them

And the hydrogens that bound them ,

Was a stroke more accidental Than a work experimental Chemistry was not his calling He had read one book by Pauling Models of the bases he'd made With them on his desk top he'd played

Shuffling them and pulling like with

Like he made no lucky strike with

Guanine, thymine, adenine. A Letter came from Pasadena

Horrors: then the day was won for

Pauling's model was quite done for

Extra atoms he had set in Where no atoms should be let in With some phrases less than modest

Pauling's model's called the oddest

Back now to the basic pairing How's the structure building faring?

Faster, faster goes the race, then Everything falls into place when Tautomers which nature chooses Are the ones our author uses Two chains (but here we can't be sure)

Plus this extra structure feature: Pauling's outside bases inside Pauling's inside phosphates outside

Now they all were quite ecstatic Soon became they quite dogmatic Having nature's secret later Checked against the x-ray data This was difficult, for Rosie Found our scientist rather nosey Bragg compares the book with

Pepys. Is This the verdict of Maurice? His Thoughts alas we cannot gainsay Trumpet blowing's not his forte Tales like this do have a moral Whether printed whether oral Find the right man to advise you Then you'll get a Nobel prize too.

J. Field

From: Journal of Irreproducible Results, 17, p. 53 (1968).

Почему мы изучаем структуру нуклеиновых кислот?

19

Дополнение 1.1

Стихотворная версия книги Дж. Уотсона «Двойная спираль»

Слушай песню, как спиральный,

Скрученный, двойной, хиральный

Комплекс был открыт. Конструкции

После тщательной дедукции

Вали жизнь. Со всех сторон: «О!

(Правду, правду!»- исступленно

Люд кричал. Строчил в скрижаль

Автор хохму про спираль-

Как из Кембриджа милашка ми-р научный кверх тормашками

И вверх дном перевернула вмиг,

Как не снилось никому. Возникла повесть эта, как структура

Родилась и почему разгадать загадку гена

Смог ученый вдохновенно.

Предсказание без мистики

Лучше всякой беллетристики.

В рамках ветреного стиля

Тайны сами в руки плыли-

Так и было. Оснований

Пары яснились в тумане,

Всем помехам вопреки.

Мановением руки

Пары он открыл-и сходу

Связь посредством водорода.

Взрыв, снискав аплодисменты,

Все затмил эксперименты.

Как его ни ставь высоко,

В химии он не был дока, mio прочел-не ставь в вину!-

Книгу Полинга-одну.

Оснований взял модели,

Тасовал их (шли недели),

Клал их так и клал их эдак,

Ворошил их напоследок.

Но не слушались тимин,

Аденин и гуанин.

Нощно он корпел и денно,

Тут письмо из Пасадены Подоспело: Что творится! Полинга модель годится Для тех атомов добавочных, Что во всех пособьях справочных Слыли лишними. Он бурно (а, быть может, нецензурно) Отозвался о модели Полинга. И стал на деле Основания увязывать. Что же дальше вам рассказывать? Гонка пауз не дает-Но на место все встает В миг, когда, устав без меры, Автор наш туатомеры Выбирает для исхода Те, что выбрала природа. Две цепочки (врем едва ли) Плюс такие вот детали: Там снаружи все фосфаты, А совсем не внутрь упрятаны, а основанья нужные, Что по Полингу наружные, Все внутри. Народ в истерике И в Европе, и в Америке. Все вопят: «Он это смог!» Мы Поспешили статус догмы Дать открытые, постепенно Сверив с данными рентгена. Было трудно: Села Рози На рефлексы в гордой позе. Книгу Брэгг назвал скрижалью. А Морис? С большой печалью Скажем: был он разозлен, В трубы дуть он не силен. Без морали быль невнятна (Коль не устной, так печатной): Не теряй напрасно время и Ты при Нобелевской премии.

Дж. Филд

Перевод А. Парина

2*

20

Глава 1

Как организована ДНК в хромосоме? Каким образом осуществляется ее экспрессия? Хотя многие детали этих процессов нам все еще неизвестны, отметим, что физические и химические свойства нуклеиновых кислот и их составляющих тесно связаны с трехмерной структурой этих полимерных молекул. Поэтому на вопрос, поставленный в этой главе, можно ответить следующим образом: принципы структурной организации нуклеотидов и нуклеиновых кислот изучают для того, чтобы понять, как функционируют эти биологические молекулы на а томном уровне.

ГЛАВА 2

Термины, необходимые для описания структуры нуклеиновых кислот

Фундаментальное значение в структурной химии имеет строгое определение терминов, описывающих геометрию молекул. В этой главе мы коснемся тех соглашений и номенклатуры, которые приняты для описания нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Хотя в работах по исследованию нуклеиновых кислот употребляются схемы нумерации атомов и сокращения, рекомендованные комиссией Международного союза обшей и прикладной химии (IUPAC) и Международным союзом биохимиков (ШВ) [12-14], разногласия в терминологии затрудняли и до сих пор затрудняют определение таких понятий, как длина связи, валентные и торсионные углы [15-18]. Недавно подкомиссия ШРАС-ШВ выработала единые стандартные определения [19]. В этой главе мы поясним их и в дальнейшем будем использовать в тексте.

П. ОСНОВАНИЯ, НУКЛЕОЗИДЫ, НУКЛЕОТИДЫ И НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ: НОМЕНКЛАТУРА И СИМВОЛЫ

(Основной повторяющейся единицей в молекулах дезоксирибонуклеино-вой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК) кислот является нуклеотид (рис. 2.1). Нуклеотид состоит из фосфорилированного по 5'-положению fcaxapa в виде фуранозного кольца (P-D-рибоза в РНК или Р-0-2'-дезо-[ксирибоза в ДНК), в котором С,-атом связан с одним из четырех гетероциклических оснований посредством р-гликозидной связи С,-—N. Гетероциклическими основаниями являются пурины аденин и гуанин и пиримидины цитозин и урацил. Последний присутствует только в РНК, а в ДНК он заменен функционально эквивалентным тимином (5-метилурацил) (рис. 22; табл. 2.1).

Свободные основания-аденин (Ade), гуанин (Guo), цитозин (Cyt), урацил (Ura) и тимин (Thy)-содержат атом водорода в девятом (пурины) и первом (пиримидины) положениях, который в составе нуклеозида замещается остатком сахара (рис. 2.2; табл. 2.1). Кроме основных нуклеозидов-аденозина (Ado или А), гуанозина (Guo или G), цитидина (Cyd или С), уридина (Urd или U) и тимидина (dThd или dT) [12]-суще-

22

Глава 2

ствует множество других природных, синтетических и модифицированных нуклеозидов. Многие из них проявляют свойства антибиотиков. Среди них можно выделить важный класс арабинозидов-нуклеозидов, у которых P-D-рибоза заменена P-D-арабинозой (рис. 2.2) [20, 21].

Нуклеотид-это нуклеозид, в котором фосфорилирован один из ги-дроксилов сахара. Фосфорилирование нуклеозида может осуществляться по трем положениям: 2', 3' или 5'. Например, в адениловой кислоте-аденозин-5'-монофосфате(5'-АМР), называемом также аденилатом, фосфорилирование произошло по положению 5', а в уридин-З'-монофос-фате (3-'UMP)-no 3'. С помощью фосфатных групп могут образовываться также циклические диэфиры нуклеозидов путем формирования

С

Рис. 2.1. Участок молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК), в которой нуклео-зиды аденозин (А), гуанозин (G), уридин (U), цитидин (С) связаны друг с другом 3',5'-фосфодиэфирными связями. Направление цепи (5' -> 3') отмечено стрелкой. Для нуклеотида 5'-GMP указана система нумерации атомов. В случае аденозина представлены все водородные атомы, а для остальных нуклеотидов

страница 2
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79

Скачать книгу "Принципы структурной организации нуклеиновых кислот" (9.68Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(07.12.2019)