ных пиримидина и пурина является возможность их таутомерных (лактам-лактимных) превращений, например:

n*^x—н

н

о II

"V^c-h

I он

,с—н

Xv. JC—н

i

н

HN

HjN^^V

V

NH

Енольная ¦ Кетоиная Енольная Кетонная

(лактимная) (лактамиая) (лактимная) (лактамная)

форма форма форма форма

Урааил Гуанин

Благодаря этому, в частности, пиримидиновые основания по 1-му атому N лактамной формы вступают во- взаимодействие с углеводами, найденными в составе нуклеиновых кислот.

Углеводная составляющая нуклеиновых кислот представлена двумя весьма сходными моносахаридами правого ряда: рибозой и дезоксирибозой. В свободном состоянии эти моносахариды существуют во всех возможных таутомерных формах, возникающих за счет. кольчато-цепной таутомерии. В составе

192

нуклеиновых кислот оба моносахарида находятся в p-D-рибофуранозной форме:

" p-D-Рибоза p-D-2-Дезоксирибоза

По сравнению с P-D-рибозой второй моносахарид (P-D-2-дезоксирибоза) является соединением, восстановленным по 2-му углеродному атому. Так как в процессе восстановления происходит отнятие гидроксильной группы, то полученное производное называют дезоксирибозой, причем цифра 2 указывает номер углеродного атома рибозы, у которого гидроксильная группа заменена на атом Н.

Недавно выяснено, что рибоза и дезоксирибоза не является единственными углеводами, входящими в состав нуклеиновых кислот: в ряде фаговых ДНК и ДНК некоторых видов раковых клеток найдена глюкоза.

Изучение продуктов гидролиза нуклеиновых кислот привело к важному выводу: состав продуктов гидролиза нуклеиновых кислот, выделенных из разных источников, неодинаков. Впервые это было обнаружено при сравнении состава нуклеиновых кислот, выделенных из зобной железы (тимус) теленка (тимонуклеиновая кислота) и дрожжей (дрожжевая нуклеиновая кислота). В дальнейшем было показано, что им соответствует два типа нуклеиновых кислот, отличающихся по составу, строению и функциям. В соответствии с характером углеводной компоненты одна из них была названа дезоксирибонук-леиновой кислотой (ДНК), другая—рибонуклеиновой кислотой (РНК). Между ДНК и РНК существуют и иные черты сходства и различия по составу (табл. 15).

Таблица 15

Состав нуклеиновых кислот

Химическое соединение ДНК РНК

Пуриновые основания Аденин Гуанин Аденин Гуанин

Пиримидиновые основания Цитозин Ткмин Цитозин Урацил

Углеводы Дезоксирибоза Глюкоза (иногда) Рибоза

Неорганическое вещество Фосфорная кислота Фосфорная кислота

Минорные основания Пуриновые М6-Метиладенин 1-Метилгуанин З-Метилгуанин 7-Метилгуанин N2-MeranryaHHH И2-Д>шетилгуанин Ne-Метиладенин Н6-Диметиладенин 1- Метиладенин 2- Метиладенин 2-Метилтио-Л6-изопентенила-денин N2-MemirryaHHH Н2-Диметилгуанин 1-Метилгуанин 7-Метилгуанин

7—3502 193

Продолжение табл. 15

Химическое соединение

днк

РНК

Пиримидиновые

5-Метилцитозин 5-Оксиметилцитозин Оксиметилурацил Урацил

5-Метилцитозин

5-Оксиметилцитозин

Н4-Метилцитозин

З-Метилцитозин

З-Метилурацил

Тимин

5-Метиламиноэтил-2-тиоура-цил

Дигидроурацил

Как видно из данных табл. 15, ДНК и РНК отличаются также и по качественному составу ггаримидиновых оснований: для первой характерно наличие тимина, для второй—урацила. Особенно разительны различия в минорных пуриновых и пиримидиновых основаниях ДНК и РНК: последняя содержит гораздо более богатый (более 50) их набор.

Наметилась тенденция связывать наличие и распределение в ДНК и РНК минорных метилированных оснований с рядом важнейших функций нукле-. иновых кислот: взаимодействием их с белками, в том числе с рядом ферментов, кодированием и передачей информации о биосинтезе макромолекул, участием в механизме памяти и старения организма, регуляцией биосинтеза нуклеиновых кислот и др.

Молекулярная масса, содержание и локализация в клетке ДНК и РНК; виды ДНК и РНК. Молекулярную массу ДНК определяют в основном гидродинамическим и электронно-микроскопическим методами, хотя это можно делать, измеряя светорассеяние растворов ДНК и некоторыми другими способами.

В основе гидродинамического метода лежит линейная зависимость константы седиментации ДНК, определяемой при ультрацентрифугировании растворов ДНК, от ее молекулярной массы, которую можно установить по калибровочной кривой или рассчитать по формуле: 0,4451gM = l,819+lg(s20f0)—2,7), где я20,ш— константа седиментации, приведенная путем экстраполирования к бесконечному разведению (s°), стандартной температуре (20° С) и вязкости воды (со).

Электронно-микроскопический метод определения молекулярной массы ДНК основан на измерении длины вытянутых молекул ДНК. Известно, что на 0,1 нм протяженности ее молекулы приходится масса, равная 197 Да. Умножая эту величину на экспериментально найденную длину молекулы ДНК, получают значение ее молекулярной массы.

Выделить нативную ДНК из клеток эукариот необыкновенно трудно, так как еще не создано соответствующих методов, позволяющих избежать разрыва выделяемых молекул ДНК. Поэтому надежные цифры получены только для ДНК вирусов и фагов (табл. 16); из них проще извлечь ДНК, осторожно сняв белковую оболочку.

Как видно из табл. 16, молекулярные массы вирусных и фаговых ДНК измеряются десятками и сотнями миллионов дальтон. Можно полагать, что молекулярная масса ДНК эукариот значительно выше. Об этом свидетельствует молекулярная масса ДНК, выделенной с необходимыми предосторожностями из самой большой хромосомы плодовой мушки—дрозофилы. Вся ДНК хромосомы представлена одной молекулой с М=40 • 109.

Содержание ДНК в клетках организма определенного вида отличается необыкновенным постоянством, тогда как межвидовые различия по этому показателю достаточно велики. Количество ДНК в клетке измеряется пикограммами (Ю-12 г), колеблется от 0,01 пг у кишечной палочки до нескольких пикограммов в гаплоидных клетках высших организмов.

194

Таблица 16

Молекулярные массы вирусных и фаговых ДНК

Объект Молекулярная масса, млн. далыон Гидродинамический метод Электронно-микроскопический метод

Бактериофаг fd 1,9 —

Вирус полиомы — 3,2

Аденовирус 21 24

Бактериофаг Т7 23—28 22—28

» Т5 66 67

» Т2 123 105—119

» Т4 111—г!31 116—152

В зависимости от места локализации ДНК в клетке различают ядерную, митохондриальную, хлоропластную, центриольную и эписомальную ДНК. Ядерная ДНК у эукариот резко превалирует над ДНК других субклеточных структур. Так, в митохондриях обнаружено от 0,5 • Ю-16 до 5 • Ю-16 г ДНК, в хло-рогшастах—от 10~ до 150 • Ю-16 г, а в центриолях—2 • Ю-16 г, что составляет несколько процентов от ядерной ДНК. В таком же соотношении находится содержание ДНК в бактериальной хромосоме и эписомах — внехро-мосомных, самостоятельно реплицирующихся детерминантах наследственности у микроорганизмов, обеспечивающих перенос генетической информации, например, об устойчивости к антибиотикам (иначе их называют R-факторами, т. е. факторами резистентности). Обсуждается вопрос о существовании экстрахромосомной ДНК, транспортируемой, или коммуникационной, ДНК, цитоплазматической мембранной ДНК, мелкодисперсной сверхскручениой ДНК. По функциональному назначению различают рибосомальную ДНК (рДНК) и сателлитную ДНК (стДНК).

Кроме внутриклеточной ДНК, существует также ДНК, входящая в состав вирусов и фагов. Количество ее в вирусах и фаговых частицах значительно ниже, чем в клетках бактерий (тысячные доли пикограмма и менее).

Молекулярные массы РНК определяют теми же методами, что и ДНК, но, кроме того, используют электрофорез в полиакриламидном геле, так как пробег РНК в геле обратно пропорционален их молекулярным массам. Что касается содержания и локализации РНК в клетках, то оно не отличается ни однообразием, ни стабильностью: в клетках, где идет интенсивный биосинтез белков, содержание РНК в несколько раз превышает таковое ДНК (например, в печени крысы РНК в 4 раза больше, чем ДНК), но там, где синтез белка мал, соотношение ДНК и РНК может быть обратным (например, в легких крысы РНК в 2 раза меньше, чем ДНК).

По функциональному значению и молекулярным массам, равно как и по локализации в клеточном содержимом, РНК делят на следующие виды.

1. Транспортные РНК (тРНК) отличаются сравнительно невысокими значениями молекулярных масс (17000—35000), локализованы в гиалоплазме клетки, ядерном соке, бесструктурной части хлоропластов и митохондрий. Они осуществляют кодирование аминокислот и перенос их в рибосомальный аппарат клетки в процессе биосинтеза белков.

2. Рибосомальные РНК (рРНК) характеризуются в основном большими молекулярными массами (550000—700000 у РНК 30—40S субчастиц рибосом, 1.1-106—1.7-106 у РНК 50—60S субчастиц рибосом, но 40000 у 5S РНК и ~ 50 000 у 5,8S РНК из рибосом); локализованы в рибосомах, являясь их структурной основой и выполняя в них разнообразные функции.

195

3. Информационные, или матричные, РНК (мРНК) обладают молекулярными массами, варьирующими в широких пределах (от 300000 до 4 • 10 ). Возникая в форме высокомолекулярных предшественников в ядре клетки или на ДНК других субклеточных частиц, мРНК (в виде рибонуклеопротеинов) перемещаются к рибосомам; в составе последних они выполняют матричную функцию в процессе сборки полипептидных цепей.

4. Вирусные РНК отличаются разнообразными и высокими молекулярными массами, лежащими в основном в пределах нескольких миллионов дальтон. Они являются составными частями вирусных и фаговых рибонуклеопротеинов, несут всю информацию, необходимую для размножения вируса в клетках хозяина.

В современной литературе обсуждается вопрос о целесообразности выделения в отдельные категории еще нескольких видов РНК: ядерной, хромосомной, митохондриальных, низкомолекулярных регуляторных, антисмыс-ловых.

Строение структурных элементов нуклеиновых кислот. При осторожной обработке РНК водным раствором щелочи (например, 1 н. NaOH или КОН в течение 18 ч при комнатной температуре) они распадаются на структурные единицы, каждая из которых состоит из пуринового или пиримидинового основания, рибозы и остатка фосфорной кислоты. Еще лучше этот процесс распада осуществляется при действии специфических биокатализаторов, например рибонуклеазы. ДНК, в противоположность РНК, устойчивы к действию разбавленных растворов щелочей при обычной температуре. Поэтому гидролиз ДНК до структурных единиц, каждая из которых составлена из пуринового или пиримидинового основания, дезоксирибозы и фосфорной кислоты, удается осуществить только в присутствии специального катализатора биологического происхождения—дезоксирибонуклеазы. Кислоты, как минеральные (НС1, НСЮ4 и др.), так и органические (НСООН и др.) для такого рода гидролиза неприемлемы, так как они деструктируют и РНК, и ДНК до свободных пуриновых и пиримидиновых оснований, углевода и фосфорной кислоты. Из гидролизатов нуклеиновых кислот составляющие их структурные единицы были впервые выделены в 1908 г. П. Левиным и Дж. Манделем, которые назвали их нуклеотндами. При гидролизе РНК образуются рибоиуклеотиды, при гидролизе ДНК—дезоксирибонуклеотиды.

Пуриновые или пиримидиновые основания, рибоза или дезоксирибоза и фосфорная кислота связаны в молекулах нуклеотидов совершенно однотипно. Химическое строение нуклеотидов и их полные и сокращенные названия таковы:

Рибоиуклеотиды

НО—Р=0 ОН

Цитидин-монофосфат (ЦМФ)

НО—р=о ОН

Уридин-ноиофосфат (УМФ)

I

но—р=о

ОН

Адеиозии-моиофосфат (АМФ)

ОН

НО—1=0 ОН

Гуаиоэии -ыоиофосфат (ГМФ)

196

Деэоксирнбоиуклеотнды

Дезоксицитидин- Деэокситимидин- Дезокснаденозии- Дезоксигуанозин—

монофосфат моиофосфат монофосфат монофосфат

(дЦМФ) (дТМФ) (дАМФ) (дГМФ)

Названия индивидуальных рибо- и дезоксирибонуклеотидов принимаются по характерному пуриновому или пиримидиновому основанию, а наличие дезоксирибозы отмечается приставкой «дезокси». Так как остаток фосфорной кислоты в природных нуклеотидах присоединен к остатку рибозы (или дезоксирибозы) по гидроксильной группе при 3-м или 5-м углеродном атомах, существует два типа нуклеотидов:

I

он

Аденозии-З'-фосфат Аденозин -5'- фосфат

Чтобы указать местонахождение остатка фосфорной кислоты в молекуле нуклеотида, нумеруют углеводные атомы в остатке рибозы. Во избежание путаницы с соответствующей нумерацией атомов в пуриновых или пиримиди-новых основаниях эти цифры отмечают знаком «'».

Конфигурация молекулы одного из нуклеотидов представлена на рис. 65. Как можно видеть из рисунка, проекционная формула молекулы цитидин-3'-фосфата (как и других нуклеотидов), выписанная с учетом истинной конфигурации молекулы этого соединения, значительно отличается от общепринятой проекционной формулы. Это необходимо учитывать при рассмотрении строения нуклеиновых кислот.

При отщеплении от нуклеотида остатка фосфорной кислоты получается еще более простое соединение—нуклеозид. Этот термин был впервые предложен П. Левиным и В. Джекобсом в 1909 г. для обозначения углеводных производных пуринов, выделенных из РНК. Впоследствии он был распространен на соединения углеводов с пиримидинами. Наименования нуклео-зидов складываются из названий пуриновых или пиримидиновых оснований и соответствующих окончаний. В приведенных выше структурных формулах нуклеотидов легко найти части, соответствующие нуклеозидным остаткам, а в названиях нуклеотидов—отличить ту часть, которой обозначен остаток

197

нуклеозида. Следовательно, нуклеотиды являются фосфорными эфирами нуклеозидов. Все сказанное в полной мере относится к дезок-синуклеотидам и дезоксинуклеозидам.

Так как нуклеозидфосфаты представляют довольно сильные кислоты, их часто называют цитидиловой, уридиловой, адениловой и гуа-ниловой кислотами.

Характерные для каждого вида нуклеиновых кислот мононуклеотиды, объединяясь в количестве нескольких сотен, а иногда и тысяч в единую молекулу, образуют громадные полинуклеотидные цепи (см. ниже).

Таким образом, по своему химическому строению нуклеиновые кислоты являются по-лирибонуклеотидами (РНК) и полидезоксирибо-нуклеотидами (ДНК). Соединение нуклеотид-ных остатков в молекулах РНК и ДНК осуществляется одним и тем же путем: сложноэфирными мостиками, образуемыми между парами нуклеотидов остатками фосфорной кислоты. Последние связаны всегда с 3-м углеродным атомом рибозы (или дезоксирибозы) одного нуклеотидного остатка и с 5-м углеродным

# атом углерода © атом азота О атом кислорода ¦ атом фосфора

Рис. 65. Проекционная формула молекулы цитидин-3-фосфата:

расстояния между атомами даны и нанометрах; атомы водорода не обозначены

В цапь

NH,

Ц lib 1

? 5' cAn

В цепь

О—СН

н н.

nh,

о н Ч Г)

| Win ?н_Н,

н

? Л-

НО-Р—О—cfw). НО-Р—О—СН^О I

1 ш

NH,

НО-Р—О—СНуО^

6 н

он

ДНК

т

РНК

В цепь

Строение фрагментов молекул ДНК и РНК

В цепь

198

атомом рибозы (или дезоксирибозы) другого, как это видно из приведенных выше изображений фрагментов молекул ДНК и РНК. Если мысленно завершить структуру изображенных выше фрагментов ДНК и РНК концевыми нуклеотидами, то при 5'-углеродном атоме остатка дезоксирибозы в случае ДНК (или рибозы в случае РНК) окажется остаток фосфорной кислоты, а на противоположн