Основы молекулярной генетики

Нуклеиновые кислоты — высокомолеку­лярные соединения со строго определённой линейной последовательностью мономеров. Структура ДНК и РНК — способ «записи ин­формации», обеспечивающий формирование в организме двух информационных потоков. Один из потоков осуществляет воспроизведение информации, заключённой в молекулах ДНК. Удвоение молекул ДНК называют «репликация». В результате этого процесса и последующего деления дочерние клетки наследуют геном роди­тельской клетки, в котором содержится полный набор генов, или «инструкций» о строении РНК и всех белков организма.

Второй поток информации реализуется в про­цессе жизнедеятельности клетки. В этом случае происходит «считывание», или транскрипция, генов в форме полинуклеотидных последова­тельностей м РНК и использование их в качестве матриц для синтеза соответствующих белков. В последнем случае осуществляется «перевод» (трансляция) информации, заключённой в мРНК, на «язык» аминокислот. Этот поток информации от ДНК через РНК на белок получил название «центральная догма биологии». Он характерен для всех живых организмов, за исключением неко­торых РНК-содержащих вирусов.

Матричная природа синтеза нуклеиновых кислот и белков обеспечивает высокую точ­ность воспроизведения информации. Так, в ходе репликации дочерние молекулы ДНК синтезируются на нитях материнской ДНК. При образовании всех видов РНК, необходимых для синтеза белков, информация об их структуре «считывается» с определённых генов в молекулах ДНК. В синтезе новых молекул белков матри­цей, содержащей информацию об их строении, являются мРНК.

Исправление ошибок, возникающих в струк­туре ДНК под воздействием факторов внешней и внутренней среды, осуществляет ещё один

матричный синтез — репарация. Он является ва­риантом ограниченной репликации и восстанав­ливает первоначальную структуру ДНК, исполь­зуя в качестве матрицы участок неповреждённой нити ДНК. При размножении РНК-содержащих вирусов в клетках эукариотических организмов новые молекулы ДНК могут синтезироваться с помощью процесса, в ходе которого РНК служит матрицей для синтеза комплементарной ДНК, которая может включаться в геном высших ор­ганизмов (обратная транскрипция).

 

СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

В каждом живом организме присутствуют 2 типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Молекулярная масса самой «маленькой» из известных нуклеиновых кис­лот — транспортной РНК (тРНК) составляет примерно 25 кД. ДНК — наиболее крупные полимерные молекулы; их молекулярная масса варьирует от 1 000 до 1 000 000кД. ДНК и РНК состоят из мономерных единиц — нуклеотидов, поэтому нуклеиновые кислоты называют поли­нуклеотидами.

 

А. СТРОЕНИЕ НУКЛЕОТИДОВ

Каждый нуклеотид содержит 3 химически различных компонента: гетероциклическое азотистое основание, моносахарид (пентозу) и остаток фосфорной кислоты. В зависимости от числа имеющихся в молекуле остатков фосфор­ной кислоты различают нуклеозидмонофосфаты (НМФ), нуклеозидцифосфаты (НДФ), нуклео- зидтрифосфаты (НТФ) (рис. 4-1).

В состав нуклеиновых кислот входят азотис­тые основания двух типов: пуриновые — аденин (А), гуанин (G) и пиримидиновые — цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U). Нумерация атомов в основаниях записывается внутри цикла (рис. 4 —2). Номенклатура нуклеотидов приведена в табл. 4-1.

Пентозы в нуклеотидах представлены либо рибозой (в составе РНК), либо дезоксирибозой в составе ДНК). Чтобы отличить номера атомов в пентозах от нумерации атомов в основаниях, запись производят с внешней стороны цикла и к цифре добавляют штрих (') — 1', 2', 3', 4' и 5' (рис. 4-3).

Пентозу соединяет с основанием N-гликозидная связь, образованная С₁-атомом пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и N₁-атомом пи­римидина или N₉-aтомом пурина (рис. 4-4).

Нуклеотиды, в которых пентоза представлена рибозой, называют рибонуклеотидами, а нукле­иновые кислоты, построенные из рибонуклеотидов, — рибонуклеиновыми кислотами, или РНК. Нуклеиновые кислоты, в мономеры которых входит дезоксирибоза, называют дезоксирибонуклеиновыми кислотами, или ДНК. Нуклеи­новые кислоты по своему строению относят к классу линейных полимеров. Остов нуклеиновой кислоты имеет одинаковое строение по всей длине молекулы и состоит из чередующихся групп — пентоза-фосфат-пентоза- (рис. 4-5). Вариабельными группами в полинуклеотидных цепях служат азотистые основания — пурины и пиримидины. В молекулы РНК входят аденин (А), урацил (U), гуанин (G) и цитозин (С), в ДНК — аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) и цитозин (С). Уникальность структуры и функ­циональная индивидуальность молекул ДНК и РНК определяются их первичной структурой — последовательностью азотистых оснований в полинуклеотидной цепи.

 

Таблица 4 -1. Номенклатура нуклеотидов

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