Что такое нуклеотид, цепь, ДНК, РНК?

Ориентируясь на популярного читателя, мы не будем вдаваться в подробности химического характера, разъяснив тем не менее всю необходимую информацию. Изложенное в данном разделе одинаково применимо и к ядерной (яДНК) и к митохондриальной ДНК (мтДНК), если обратное не оговорено явным образом.

Наследственная информация кодируется цепочками двух типов - ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Цепочки обоих типов состоят из молекул нуклеотидов (или "оснований") четырех видов: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T). Первые два относятся к классу пуринов, которые тяжелее по молекулярной массе, а два вторых - к более легким пиримидинам. Деление нуклеотидов на пурины и пиримидины понадобится в одном из последующих разделов, и читателю настоятельно рекомендуется, независимо от степени любви к химии, запомнить кто из оснований есть кто, так как в дальнейшем это знание окажется полезным на практике.

Таким образом, одинарную цепочку можно представить как произвольную последовательность из четырех букв, например ATCGGATCAAC, полностью отвлекаясь как от химической природы ее элементов - пуринов и пиримидинов, так и от типа химических связей между ними (в действительности, ковалентных). Отметим, что у любой цепи имеется естественная химическая "ориентация", к сожалению, невидимая в той простой записи, которую мы использовали. А именно, каждый нуклеотид связан со своими соседями в двух позициях: в месте присоединения фосфата (5-ый атом углеродного цикла) и в месте присоединения радикала OH (там, где находится 3-ий углерод). Если обозначить указанные связи нуклеотидов через 5' и 3' соответственно, то можно просто сформулировать важный факт: соседние нуклеотиды могут соединяться друг с другом только "концами" разных типов, то есть к 3' концу одного может присоединиться 5' конец другого и наоборот, но соединения 5'-5' и 3'-3' невозможны. Используя данную нотацию, говорят о 5'-ом либо 3'-ем конце всей цепи и пишут, например, так: 5'-ATCGGATCAAC-3'. Если условиться, что при буквенной записи цепи начинаются с 5'-конца, обозначения 5' и 3' можно опускать. Заметим, что ориентация цепей важна не только как естественный способ их упорядочения, но еще и потому что она учитывается самой природой в таких процессах, как транскрипция и репликация: новая цепь может строиться только в направлении от 5' к 3'.

Следующим необходимым нам понятием будет комплементарность. Для чего оно требуется, выяснится в следующем пункте, пока мы просто условимся называть пары нуклеотидов G и C, A и T комплементарными, иначе говоря C есть комплемент (дополнение) к G, G к C, A к T и T к A. По аналогии мы определим и комплементарные (дополнительные) последовательности, например комплементом последовательности ATCGGAT будет TAGCCTA.

Теперь все готово к определению главного понятия раздела - понятия цепи ДНК. Как уже упоминалось, это двойная цепочка нуклеотидов, но количество информации в ней точно такое же, как и в одинарной, поскольку обе цепи обязательно комплементарны. Так, если одинарная цепь (например цепь РНК) имеет вид ATCGGAT, то соответствующую двойную цепочку ДНК можно записать как

ATCGGAT
TAGCCTA

где комплементарные основания находятся друг под другом. Химические связи между комплементарными цепочками ДНК имеют иную природу, нежели связи соседних нуклеотидов одной цепи, а именно, являются не ковалентными, а водородными, то есть существенно слабее. Однако в целом структура молекулы ДНК достаточно прочна благодаря удачному комбинированию составных элементов разных типов, и разорвать такую парную цепочку "энергетически" трудно.

Здесь следует сделать важнейшее замечание: в природе возможно образование только таких цепочек ДНК, у которых 5' и 3' концы комплементарных нуклеотидов направлены противоположным образом. Если в предыдущем примере считать, что верхняя цепочка ориентирована как 5'-ATCGGAT-3', то весь пример можно переписать в виде:

5'-ATCGGAT-3'
3'-TAGCCTA-5'

Противоположный способ соединения

5'-ATCGGAT-3'
5'-TAGCCTA-3'

энергетически невозможен. Вспомним, что в начале раздела мы условились записывать каждую цепочку строго в последовательности от 5' к 3', и в соответствии с этим требованием нижнюю цепь 3'-TAGCCTA-5' следует записать как ATCCGAT. В таком виде она называется обратным комплементом (обратным дополнением) к ATCGGAT.

Биологические функции последовательностей ДНК и РНК различны: первые составляют т.н. геномную ДНК, то есть набор кода, неизменного в течение жизни организма и хранящегося в определенном месте, в то время как вторые возникают в результате прочтении первых и выполняют основную работу по переносу генетической информации от ДНК во все "пункты назначения".

Комплементарность цепей ДНК очень важна при репликации, а также при повреждении одного из оснований двойной цепи: специальные ферменты могут исправить его, прочитав правильный вариант с неповрежденной цепи. Наконец, сами процессы транскрипции и репликации есть не что иное как построение в направлении от 5' к 3' новой цепи, комплементарной к исходной, читаемой в направлении от 3' к 5'.

Примечание. Когда речь идет о двойной цепи ДНК, вместо "основание" нередко говорят "базовая пара" (б.п.), ср. анг. base "основание". Длину цепочек измеряют в килобазах (kbp, тысячах базовых пар или просто "баз"), мегабазах (mbp, миллионах баз) и гигибазах (gbp, миллиардах баз), причем в случае ДНК каждая комплементарная пара оснований считается за одну "базу".

© Gentis. Публикуется на условиях лицензии Creative Commons
(При цитировании любой части текста ссылка на страницу сайта Gentis.ru обязательна!)