Нуклеотиди

Лекція № 3. ДНК

1. Хімічна будова нуклеїнових кислот.

1.1. Нуклеотиди.

1.2. Полінуклеотидний ланцюг.

1.3. Нуклеази.

2. Подвійна спіраль.

2.1. Стабілізація подвійної спіралі.

2.2. Конформаційні параметри подвійної спіралі.

2.3. Структурні форми ДНК.

2.4. Конформація В-ДНК.

3. Білково-нуклеїнові взаємодії.

3.1. Структурна класифікація білків, які взаємодіють із ДНК.

3.2. Принципи білково-нуклеїнового впізнання.

4. Циркулярна ДНК.

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.