Дезоксирибонуклеиновые кислоты
Биологическая функция нуклеиновых кислот
(см. с. 234) основана главным образом на свойстве оснований образовывать
специфически (комплементарно) связанные пары.
Первым свидетельством существования таких структур пocлyжил
тот факт, что в каждом типе ДНК (DNA) содержится примерно одинаковое количество
аденина и тимина. То же самое относится к гуанину и цитозину. Напротив, соотношение
(аденин+тимин) / (гуанин+цитозин) в различных организмах варьирует. Предложенная
в 1953 г. модель структуры ДНК позволила объяснить причину таких соотношений:
интактная ДНК состоит из двух полидезоксинуклеотидных цепей. Каждое
основание одной цепи связано с комплементарным ему основанием другой
цепи водородными мостиками. При этом аденин комплементарен тимину, гуанин
— цитозину. Таким образом, каждая пара состоит из одного пуринового и одного
пиримидинового основания.
Комплементарность А и T, соответственно G и С, становится понятной,
если рассмотреть возможные водородные мостики между основаниями. В качестве
доноров (см. с. 14) выступают аминогруппы (аденина, цитозина,
гуанина) и NН-группы гетероциклов (тимина и гуанина). Возможными акцепторами
являются карбонильные группы (тимина, цитозина, гуанина) и атомы азота гетероциклов.
Пара A-T может образовывать два, а пара G-C даже три линейных
и поэтому особенно устойчивых мостика. Урацил, содержащийся в РНК вместо тимина,
ведет себя при спаривании основании подобно тимину.
Б. Структура ДНК
Спаривание оснований, проиллюстрированное на
схеме А, охватывает в молекуле ДНК миллионы звеньев. Конечно, это возможно
только в том случае, если полярность обеих цепей различна, т.е. обе цепи
имеют противоположные направления (см. с. 86). Кроме
того, обе цепи должны быть закручены в виде двойной спирали. Из-за
стерических ограничений, вызванных 2'-ОН-группой остатка рибозы, РНК не мoгyт
образовывать структур, подобных двойной спирали. Поэтому РНК имеют менее
регулярную структуру по сравнению с ДНК (см. с. 88).
Преобладающая в клетке конформация ДНК (так называемая В-ДНК)
представлена схематически на схеме 1, а также на
с. 92, в виде вандерваальсовой модели. На схеме 1
дезоксирибозофосфатный остов изображен в виде ленты. Основания (здесь указаны
в виде полос) расположены внутри двойной спирали. Следовательно, эта
область ДНК неполярна.
Напротив, внешняя сторона молекулы полярна и
заряжена отрицательно за счет углеводных остатков и фосфатных групп остова. Цепи
ДНК на протяжении всего тяжа образуют два желоба, которые носят названия
«малая бороздка» и «большая бороздка».
Так как обе цепи связаны только
нековалентными взаимодействиями, двойная спираль при нагревании или инкубации в
щелочном растворе легко распадается на отдельные цепи
(денатурирует). При медленном охлаждении ранее неупорядоченные отдельные
цепи благодаря спариванию оснований вновь образуют двойную спираль (молекула
ренатурирует). Процессы де- и ренатурации играют важную роль в генной инженерии
(см. сс. 254, 258).
В функциональном отношении две цепи ДНК не
эквивалентны. Кодирующей цепью (матричной, смысловой) является та из них,
которая считывается в процессе транскрипции (см. с. 240). Именно эта цепь служит
матрицей для PHK. Некодирующая цепь (антисмысловая) по
последовательности подобна РНК (при условии замены T на U). Общепринято
давать структуру гена в виде последовательности некодирующей цепи
ДНК в направлении 5'→3'. Если прочитать кодоны в этом направлении, то с
помощью генетического кода (см. с. 244) можно воспроизвести аминокислотную
последовательность белка в принятом порядке, от N- к С-концу.