1.5. Биологические функции ДНК

Важнейшая биологическая функция ДНК — генетическая, т.е. хранение и передача наследуемых признаков. В 1943 г. О. Т. Эвери,

К. Мак-Леод и М. Мак-Карти из Рокфеллеровского института обнаружили это впервые. Они экспериментально установили, что невирулентный штамм бактерии Pneumococcus может превратиться в вирулентный простым добавлением ДНК, выделенной из вирулентных пневмококков. Исследователи заключили, что ДНК может содержать генетическую информацию. Работа О. Т. Эвери и его сотрудников признана выдающейся, представляющей собой важную историческую веху в исследовании генетической функции ДНК. Сейчас многочисленными экспериментами установлено, что ДНК — основной компонент клеточных органелл-хромосом. Трансформирующаяся ДНК включается ковалентно в ДНК невирулентной клетки (клетки-реципиента) и, таким образом, реплицируется вместе с хромосомой реципиента; свойство вирулентности наследуется. В то же время возможность передачи генетической информации бактериальным клеткам в результате введения РНК или белка не получила экспериментального подтверждения.

На вопрос, почему наследуемые признаки копируются с удивительной точностью, дает ответ принцип комплементарности. Модель ДНК, разработанная Уотсоном и Криком, четко объясняет механизм передачи информации. В связи с тем, что последовательность азотистых оснований одной цепи однозначно определяет последовательность оснований в другой цепи, репликация ДНК в клетке происходит в результате расхождения двух полинуклеотидных цепей и последующего синтеза двух новых (дочерних) цепей на старых (родительских) цепях как на матрицах. В результате образуются две дочерние двухцепочечные молекулы ДНК, идентичные родительской молекуле ДНК, содержащие по одной цепи из родительской молекулы. Такой механизм репликации был назван полуконсервативным. Он получил блестящее подтверждение в экспериментах с клетками E.coli и меченым азотом N, проведенных М. Мезелсоном и Ф. Сталем в 1957 г. Полученные ими результаты точно согласуются с полуконсервативным механизмом редупликации макромолекул ДНК.

1.6. Структура и физико-химические свойства РНК

Рибонуклеиновые кислоты (РНК) — однонитевые молекулы, поэтому в отличие от ДНК их вторичная и третичная структуры нерегулярны. Нуклеотидная цепь РНК обладает гибкой структурой, ее длина в зависимости от вида РНК может варьировать в очень широких пределах — от нескольких десятков до десятков тысяч нуклеотидных остатков; молекулярная масса РНК находится в пределах 10—10.

Последовательность нуклеотидных звеньев, соединенных фосфодиэфирной связью в неразветвленную полинуклеотидную цепь, представляет собой первичную структуру РНК. Вторичная и третичная структуры РНК, определяемые как пространственная конформация полинуклеотидной цепи, формируются в основном за счет водородных связей и гидрофобных взаимодействий между азотистыми основаниями. Если для молекулы нативной ДНК характерна устойчивая спираль, то структура РНК более многообразна и лабильна. Рентгеноструктурный анализ показал, что отдельные участки полинуклеотидной цепи РНК, перегибаясь, навиваются сами на себя с образованием внутриспиральных структур. Стабилизация структур достигается за счет комплементарных спариваний азотистых оснований антипараллельных участков цепи; специфическими парами здесь являются А - U, G - С и, реже, G – U.

Образование спиральных структур сопровождается гипохромным эффектом — уменьшением оптической плотности образцов РНК при 260 нм. Разрушение этих структур происходит при понижении ионной силы раствора РНК или при его нагревании до 60—70 °С; оно также называется плавлением и объясняется структурным переходом спираль — хаотический клубок, что сопровождается увеличением оптической плотности раствора нуклеиновой кислоты.

Хотя РНК относится к однониточным полинуклеотидам, вместе с тем в ее цепях имеются участки различной длины, состоящие из комплементарных друг другу нуклеотидных последовательностей, включающих от десятков до тысяч нуклеотидных остатков, расположенных на небольшом удалении друг от друга. Благодаря этому в молекуле РНК возникают как короткие, так и протяженные биспиральные участки, принадлежащие одной цепи; эти участки носят название шпилек. Модель вторичной структуры РНК со шпилькообразными элементами была создана в конце 50-х — начале 60-х гг. XX в. в лабораториях А. С. Спирина (Россия) и П. Доти (США).

полинуклеотид нуклеозидфосфат тонкослойный хроматография

1.7. Типы РНК и их биологические функции

Клетки содержат три основных типа РНК: рибосомную — рРНК, транспортную — тРНК и матричную (информационную) — мРНК. Каждая из этих РНК выполняет специфическую роль в сложном процессе биосинтеза белка, при котором последовательность аминокислот однозначно определяется нуклеотидной последовательностью ДНК.

В эукариотических клетках существуют также малые ядерные РНК (мяРНК), являющиеся участниками процессинга РНК, и гетерогенные ядерные РНК (гяРНК), представляющие собой предшественников мРНК. Кроме того, обнаружена так называемая антисмысловая РНК, участвующая в регуляции процесса репликации ДНК.

В процессе транскрипции нуклеотидная последовательность локуса (место в хромосоме, где находится ген) в ДНК копируется в молекулу РНК. Транскрибируются три вида генов. Транскрипты генов рРНК используются в синтезе рибосом, нуклеотидная последовательность мРНК переписывается в последовательность аминокислот при синтезе полипептида на рибосоме, а транскрипты генов тРНК связываются с аминокислотами, которые затем переносятся в рибосомный синтезирующий центр в последовательности, зашифрованной в мРНК; этот процесс называется трансляцией.

Рибосомная РНК. Она входит в состав клеточных органелл —

рибосом. Биохимическая функция рРНК пока до конца не изучена. Предполагается, что она выполняет роль молекулярного каркаса, на котором крепятся участники процесса трансляции; рРНК имеет большую молекулярную массу (до 2 10), характеризуется метаболической стабильностью. На ее долю приходится до 85—90 % всех клеточных РНК. Степень спирализованности молекул рРНК находится в пределах 70—80 %.

Предполагается, что в белоксинтезирующей системе клетки

функция рРНК не исчерпывается ролью структурного компонента. У прокариотов обнаружено, что в рРНК имеются небольшие участки, комплементарные участкам мРНК. Спаривание этих участков, видимо, способствует первоначальному связыванию мРНК с рибосомой. Не исключено, что некоторые участки рРНК играют определенную роль в формировании пептидтрансферазного центра рибосомы, ответственного за образование пептидных связей при синтезе белка.

Транспортные РНК. Это низкомолекулярные нуклеиновые кислоты; молекулярная масса колеблется в пределах 23 000—30 000, каждой из 20 белковых аминокислот соответствует, по крайней мере, одна тРНК. Однако некоторым аминокислотам специфичны от 2 до 6 тРНК; предполагается их общее количество около 60. Они составляют примерно 15 % общего количества клеточных РНК. Многие тРНК получены в гомогенном состоянии, некоторые — в кристаллическом виде.