Полінуклеотидний ланцюг

Хімічна будова нуклеїнових кислот

Нуклеотиди

Мономерна одиниця нуклеїнової кислоти − нуклеотид − складається з трьох елементів: азотиста основа, пентозний цукор, залишок фосфорної кислоти. Азотисті основи − гетероциклічні сполуки (рис. 1), у кільцях яких містяться карбон і азот, а всі зв’язки мають характер частково подвійних. До складу нуклеїнових кислот входять два типи азотистих основ: пурини (purines, загальноприйняте позначення R) − аденін (A)і гуанін (G); піримідини (pyrimidines, Y) − урацил (U), тимін (T), цитозин (C). Загальне позначення для всіх основ − N.

Найсуттєвішими для структури нуклеїнових кислот та їхніх взаємодій з іншими молекулами є такі властивості азотистих основ:

• Оскільки всі зв’язки в кільці − частково подвійні, азотисті основи є планарними − усі атоми кільця лежать практично в одній площині.

• Атоми азоту кільця та приєднані до нього атоми оксисену є акцепторами, а NH₂-групи − донорами водневого зв’язку. Але водночас площина кільця є гідрофобною, тому азотисті основи погано розчиняються у воді. Один із атомів азоту кільця (виділено червоним на рис. 1) приєднується у складі нуклеотиду до карбону пентозного цукру глікозидним зв’язком (рис. 2). Цей атом пентози позначається як С₁′ (символ ′ прийнято додавати, щоб відрізняти атоми фуранозного кільця пентози від атомів азотистої основи). Інші С′-атоми пентози нумеруються далі за порядком їхнього розташування (рис. 2). До 3′-атома завжди приєднана ОН-група. Пентоза, у складі якої ОН-група знаходиться також при 2′-атомі, називається рибозою (ribose). Пентоза іншого типу, яка також входить до складу нуклеїнових кислот − дезоксирибоза (deoxyribose) − відрізняється лише заміною цієї ОН-групи на атом гідрогену.

Рис. 1. Азотисті основи. Червоним позначено атом N, з’єднаний у нуклеотиді з С₁′ атомом пентози.

Сполука азотистої основи й пентози називається нуклеозидом (залежно від типу азотистої основи: аденозин, гуанозин, цитидин, тимідин, уридин) або ж, залежно від типу пентози, рибо- чи дезоксирибонуклеозидом. Рибонуклеозиди входять до складу РНК − рибонуклеїнової кислоти (ribonucleic acid, RNA), дезоксирибонуклеозиди – до складу ДНК − дезоксирибонуклеїнової кислоти (deoxyribonucleic acid, DNA). Інша хімічна різниця між ДНК і РНК стосується складу піримідинових азотистих основ: T у ДНК замість U в РНК.

Фосфорилювання ОН-групи при 5′-атомі пентози у складі нуклеозиду приводить до утворення нуклеотиду (рис. 2). Найважливішою для нуклеїнових кислот властивістю фосфатного залишку є негативний заряд, який він має за нейтральних рН. Таким чином, нуклеотид є нуклеозидфосфатом або нуклеозидмонофосфатом (NMP). Зокрема, нуклеотид, зображений на рис. 2, є аденозинмонофосфатом (АМР).

Рис. 2. Нуклеотид.

На відміну від азотистих основ, пентози та фосфатні залишки є цілком полярними й добре взаємодіють з водою. Крім того, пентоза не містить подвійних зв’язків. Тому, на відміну від азотистої основи, у фуранозному кільці пентози є можливим обертання навкруг зв’язків, і воно не є планарним. У складі нуклеїнових кислот переважно зустрічаються дві конформації, схематично показані на рис. 3. Конформація С₂′-ендо (С₂′-атом виходить у бік С5′-атома з площини, заданої атомами С₄′−О−С₁′) є переважною для дезоксирибози. Поява ОН-групи замість гідрогену при С₂′-атомі робить цю конформацію неможливою, і для рибози переважною стає конформація С3′-ендо. Перемикання цих двох конформацій суттєво змінює геометрію інших зв’язків у складі нуклеотиду й тому лежить в основі перетворень між структурними формами нуклеїнових кислот (див. нижче). Отже, нуклеотид складається з двох елементів, які розрізняються за полярністю та конформаційною рухливістю:

• Полярна й досить гнучка частина − пентозний цукор із фосфатним залишком, причому останній має негативний заряд.

• Жорстка планарна азотиста основа, яка в цілому є неполярною, хоча й містить донорні та акцепторні групи.

Рис. 3. Дві переважні конформації пентозного кільця у складі нуклеїнових кислот.

Полінуклеотидний ланцюг

Дві хімічні групи – ОН-група при 3′-атомі пентози одного нуклеотиду та фосфат при 5′-атомі іншого − використовуються для утворення фосфодіефірного зв'язку між нуклеотидами (рис. 4).

Таким чином, як і поліпептидний, полінуклеотидний ланцюг має напрямок. На одному його кінці залишається 5′-фосфат (5′-кінець), на іншому − 3′-ОН-група (3′-кінець). Послідовності нуклеотидів прийнято записувати в напрямку 5′ → 3′, у тому ж напрямку відбувається синтез усіх нуклеїнових кислот. Слід також розуміти, що конформаційні особливості ланцюга залежать від напрямку, в якому розташовані сусідні нуклеотиди. Наприклад, послідовність СА має інші особливості, ніж послідовність АС. Загалом у складі ланцюга може бути 16 типів таких динуклеотидних контактів (16 можливих комбінацій із чотирьох по два). Отже, полярний остов полінуклеотидного ланцюга являє собою фосфатні залишки та пентози, що чергуються − цукрофосфатний остов.

Від цього остова відходять азотисті основи як бокові залишки.

Рис. 4. Полінуклеотидний ланцюг. Угорі праворуч: два варіанти схематичного зображення ланцюга, вертикальна лінія позначає пентозу, Р − фосфатний залишок.

Нуклеази

Деградація нуклеїнових кислот відбувається при різноманітних функціональних процесах шляхом гідролізу фосфодіефірного зв’язку в реакції, яка каталізується спеціальними ферментами − нуклеазами.

Нуклеази поділяють на різні типи за певними ознаками:

• РНК-ази та ДНК-ази є специфічними до відповідних нуклеїнових кислот.

• Екзонуклеази відщеплюють нуклеотиди один за одним з кінців ланцюга, відповідно розрізняють 5′- та 3′-екзонуклеази. Ендонуклеази гідролізують фосфодіефірний зв’язок усередині ланцюга.

• Серед ендонуклеаз, які мають своїм субстратом дволанцюгову молекулу ДНК є такі, що роблять одноланцюговий розріз – нік (nick), залишаючи інший ланцюг інтактним. Інші здійснюютьдволанцюгові розрізи.

• Серед ендонуклеаз є неспецифічні щодо послідовності нуклеотидів. Але є також велика група бактеріальних ферментів − рестриктаз − які діють лише на певні невеличкі (частіше чотири або шість нуклеотидів) елементи послідовності. Рестриктази виконують у бактеріальній клітині роль захисту від чужорідної ДНК бактеріофагів і широко використовуються як інструменти дослідження в молекулярній біології.

Реакція гідролізу фосфодіефірного зв’язку є енергетично вигідною. З цього випливає, що нуклеотид (нуклеозидмонофосфат) не може бути використаним для синтезу нуклеїнової кислоти − натомість до реакцій синтезу залучаються відповідні нуклеозидтрифосфати

Подвійна спіраль