Химия наследственности. Нуклеиновые кислоты. ДНК. РНК. Репликация ДНК и передача наследственной информации
роксильными группами углеводных остатков (т. е. что
они являются фосфодиэфирными), которые, следовательно, и являются
ответственными за образование полимерной цепи (НК). Таким образом, то, что
принято обычно называть межнуклеотидной связью, представляет собой по
существу узел, включающий систему связей:
[pic]
(где С — первичный или вторичный атомы углерода остатка углевода). При
гидролизе ДНК и РНК в зависимости от условий реакции, образуются нуклеотиды
с разным положением фосфатного остатка:
[pic]
Если предположить, что в НК все межнуклеотидные связи идентичны, то,
очевидно, что они могут включать помимо фосфатного остатка только З'-
гидроксильную группу одного нуклеозидного звена и 5'-гидроксильную группу
другого нуклеозидного звена (3'—У-связь). В случае же их неравноценности в
полимерной цепи ДНК могли бы одновременно существовать три типа связей:
3'—5', 3'—3' и 5'—5'. Для РНК за счет участия 2/-гидpoкcилыIoй группы число
типов связи должно было быть еще больше.
Установить истинную природу межнуклеотидных связей в нативных ДНК и
РНК удалось в результате направленного расщепления биополимеров с помощью
химического и ферментативного гидролиза и последующего выделения и
идентификации полученных при этом фрагментов.
6.1. Межнуклеотидная связь в ДНК
Химический гидролиз ДНК с целью установления природы межнуклеотидной
связи оказался практически непригодным. ДНК не расщепляется при щелочных
значениях рН, что хорошо согласуется с предположением о фосфодиэфирной
природе межнуклеотидной связи. При обработке кислотой даже в мягких
условиях ДНК расщепляется как по фосфодиэфирным, так и по N-гликозидным
связям, образованным пуриновыми основаниями. Вследствие этого расщепление
полимера протекает неоднозначно, но из продуктов кислотного гидролиза ДНК
все же удалось выделить дифосфаты пиримидиновых дезоксинуклеозидов, которые
оказались идентичными синтетическим 3',5'-дифосфатам дезоксицитидина и
дезокситимидина:
[pic]
Здесь же важно отметить, что наличие этих соединений в продуктах
деградации ДНК указывает на участие обеих гидроксильных групп, по крайней
мере пиримидиновых мономерных компонентов, в образовании межнуклеотидной
связи.
Более специфическим оказалось ферментативное расщепление ДНК. При
обработке препаратов ДНК фосфодиэстеразой (ФДЭ) змеиного яда полимер
практически полностью гидролизуется до дезоксинуклеозид-5'-фосфатов,
структура которых была установлена сравнением с соответствующими
нуклеотидами, полученными встречным синтезом.
[pic]
Эти данные свидетельствуют об участии 5'-гидроксильных групп всех
четырех дезоксинуклеозидов, входящих в состав ДНК, в образовании
межнуклеотидной связи. Аналогично, но до 3'-фосфатов дезоксинуклеозидов
расщепляется ДНК в присутствии ФДЭ, выделенной из микрококков или из
селезенки.
[pic]
Из данных гидролиза ДНК фосфодиэстеразами различной специфичности
становится очевидным, что связь нуклеозидных остатков в ДНК осуществляется
фосфатной группой, которая одновременно этерифицирует гидроксильную группу
у вторичного атома углерода (положение 3') одного нуклеозидного звена и
гидроксильную группу у первичного атома углерода (положение 5') - другого
нуклеотидного звена.
Таким образом, было убедительно доказано, что в ДНК межнуклеотидная
связь осуществляется за счет фосфатной группы, а также 3'- и 5'-
гидроксильных групп нуклеозидных остатков [(а) и (б) — направления
расщепления полинуклеотидной цепи ДНК фосфодиэстеразами соответственно
змеиного яда и селезенки или микрококков]:
[pic]
Предположение о возможности иного строения полимера с регулярно
перемежающимися связями нуклеозидных остатков по типу 3'—3' и 5'—5' было
отвергнуто, так как оно не удовлетворяло всем экспериментальным данным.
Так, полимер такого типа не должен был бы полностью гидролизоваться (до
мономеров) в присутствии ФДЭ змеиного яда, избирательно расщепляющей только
алкиловые эфиры нуклеозид-5' –фосфатов. То же можно сказать о ФДЭ
селезенки, селективно гидролизирующей алкиловые эфиры нуклеозид-3'-
фосфатов.
6.2. Межнуклеотидная связь в РНК
Более сложным оказался вопрос о природе межнуклеотидной связи в РНК.
Уже на первых этапах изучения строения РНК был установлен факт чрезвычайной
неустойчивости се при щелочном гидролизе. Основными продуктами щелочного
гидролиза РНК являются рибонуклсозид-2'- и рибонуклеозид-З'-фосфаты,
образующиеся практически в равных количествах.
[pic]
Рибонуклеозид-5'-фосфаты при этом не образуются. Эти данные не
укладывались в представления о фосфодиэфирной природе межнуклеотидной связи
в РНК и требовали всестороннего изучения. Очень важную роль в таком
исследовании, которое выполнили в начале 50-х гг. Тодд с сотрудниками,
сыграли синтетические алкиловые эфиры рибонуклеотидов, которые были
получены специально, чтобы промоделировать тот или иной тип фосфодиэфирной
связи.
Полученные школой Тодда данные о механизмах превращения алкиловых
эфиров рибонуклеотидов в щелочной среде позволили предположить, что в РНК,
так же как и в ДНК, межнуклеотидная связь осуществляется фосфатной группой
и 3'- и 5'-гидроксильными группами углеводных остатков. Подобная связь в
РНК должна очень легко расщепляться в щелочной среде, так как соседняя 2'-
гидроксильная группа должна катализировать этот процесс при рН>10, когда
начинается ионизация гидроксильных групп рибозы. Очень важно подчеркнуть,
что промежуточными соединениями при щелочном расщеплении должны быть все
четыре рибонуклеозид-2',З'-циклофосфата, а конечными — образующиеся при их
гидролизе рибонуклеозид-3'-фосфаты и рибонуклеозид-2'-фосфаты (четыре пары
изомеров).
Данные щелочного гидролиза ограничили количество возможных для РНК
типов межнуклеотидных связей, но не прояснили вопроса о том, как построен
этот полимер.
Более точные сведения о типе межнуклеотидной связи в РНК, как и в
случае ДНК, были получены с помощью ферментативного гидролиза.
Гидролиз РНК с использованием ФДЭ змеиного яда, протекающий до
рибонуклеозид-5'-фосфатов, подтвердил уже прямым путем предположение об
участии 5'-гидроксильных групп в образовании фосфодиэфирной связи между
мономерными звеньями. Позднее это было окончательно установлено в
результате открытия фосфоролиза РНК в присутствии фермента
полинуклеотидфосфорилазы (ПНФаза), приводящего к образованию рибонуклеозид-
5'-пирофосфатов:
[pic]
Таким образом, оставалось выяснить природу второй гидроксильной
группы, участвующей в образовании межнуклеотидной связи. Частично решить
эту задачу помог еще один фермент, который использовался для направленного
расщепления РНК, — пиримидиловая рибонуклеаза (РНаза).
Ранее было показано, что этот фермент расщепляет только алкиловые
эфиры пиримидиновых рибонуклеозид-3'-фосфатов до рибонук-леозид-3'-фосфатов
(через промежуточный рибонуклеозид-2',З'-циклофосфат). Оказалось, что
аналогичным образом этот фермент действует и на РНК. В экспериментах с
любыми образцами очищенной РНК было обнаружено, что количество фосфорной
кислоты, которая образуется при обработке полимера последовательно
пиримидиловой РНазой и фосфомоноэстеразой (ФМЭ), а также количество иодной
кислоты, затрачиваемой на последующее окисление, эквивалентно количеству
остатков пиримидинов в данном образце РНК. Это говорило в пользу того, что
по крайней мере пиримидиновые нуклеотиды в РНК связаны с соседними
нуклеотидами только посредством 3'—5'-межнук-леотидной связи. Этот вывод
подтверждают данные щелочной обработки ферментативных гидролизатов РНК,
полученных после действия на нее РНазы: в щелочной среде миграция
фосфатного остатка в рибонуклеозид-З'- и -2'-фосфатах невозможна, и наличие
в соответствующих гидролизатах только пиримидиновых рибонуклеозид-З'-
фосфатов делает очевидным 3'—5'-тип межнуклеотидной связи для пиримидиновых
нуклеотидов.
7. МАТРИЧНЫЙ СИНТЕЗ ДНК
Способность клеток поддерживать высокую упорядоченность своей
организации зависит от генетической информации, которая сохраняется в форме
дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). ДНК - это вещество, из которого
состоят гены. Размножение живых организмов, передача наследственных свойств
из поколения в поколение и развитие многоклеточного организма из
оплодотворенной яйцеклетки возможны потому, что ДНК способна к
самовоспроизведению. Сам процесс самовоспроизведения ДНК называется
репликацией. Иногда используют также название-синоним - редупликация.
Как известно, генетическая информация записана в цепи ДНК в виде
последовательности нуклеотидных остатков, содержащих одно из четырех
гетероциклических оснований: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин
(T). Предложенная Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 году модель строения ДНК
в форме регулярной двойной спирали сразу же позволила понять принцип
удвоения ДНК. Информационное содержание обеих цепей ДНК идентично, так как
каждая из них содержит последовательность нуклеотидов, строго
соотв
| |  скачать работу |
Химия наследственности. Нуклеиновые кислоты. ДНК. РНК. Репликация ДНК и передача наследственной информации |
