Химическое строение нуклеиновых кислот

Химическое строение монмеров нуклеиновых кислот

Как известно, и ДНК, и РНК представляют собой полимеры - длинные молекулы из одинаковых фрагментов, повторяющихся в структуре. Таким фрагментом (мономером) для нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Нуклеотид являет собой соединение, включающее в себя 3 обязательных компонента: азотистое основание, остаток сахара (рибозы в РНК, дезоксирибозы в ДНК) и остаток фосфорной кислоты. В силу того, что азотистые основания могут быть нескольких типов (классические: аденин, гуанин, цитозин, тимин, урацил, а так же более 50-ти модифицированных оснований), нуклеиновые кислоты считаются гетерополимерами - полимерами, содержащими несколько разных мономеров. Строению мономеров нуклеиновых кислот посвящён рисунок 1.

Рис. 1 Химическое строение нуклеотидов (верхний ряд) и нуклеозидов (не содержат остатков фосфорной кислоты - нижний ряд). Пронумерованы атомы в азотистых основаниях и углеводных компонентах. Красным цветом показаны N-гликозидные связи между азотистыми основаниями и остатками сахара.

Химическое строение молекулы ДНК

ДНК представляет собой две антипараллельные цепочки из нуклеотидов. Антипараллельность заключается в том, что у каждой из двух цепочек можно обозначить разные концы (5' и 3') в зависимости от того, какой атом углерода в скелете остатка сахара находится ближе всего к концу молекулы с этой стороны. Таким образом, с одной стороны каждая половина двойной спирали заканчивается 3'-OH группой (3'-конец), а с другой стороны остатком фосфорной кислоты (5'-конец). Между азотистыми основаниями двух цепочек формируются водородные связи, стабилизирующие структуру наряду с взаимодействиями, возникающими между параллельными плоскостями оснований. О втором типе взаимодействий речь пойдёт более подробно при рассмотрении пространственной структуры ДНК. Рисунок 2 иллюстрирует химическое строение фрагмента ДНК, содержащего 4 пары оснований.

Рис. 2 Химическое строение фрагмента ДНК из четырёх пар оснований. Красным показаны водородные связи между азотистыми основаниями.

Водородные связи между азотистыми основаниями, канонические и неканонические пары

В данном разделе я проиллюстрирую, что образование водородных связей возможно не только в канонических парах, которые рассмотрены в предыдущем разделе, но и в парах иного состава - неканонических. Для примера взято азотистое основание тимин. Рассмотрены взаимодействия в канонической и нескольких неканонических парах.

Рис. 3 Каноническая и неканонические пары, образованные с участием тимидилового нуклеотида. Красным цветом показаны водородные связи.

Опираясь на данные, представленные на рисунке 2 можно предположить, какие из подобных вариантов будут наиболее предпочтительными с точки зрения вероятности появления:

• Во-первых, в ДНК могут появиться, скорее всего, только пары, имеющие определённую суммарную длину, такую чтобы она примерно соответствовала диаметру всей молекулы, определяющемуся длиной канонической пары. Из этого предполагаем, что появление пары из двух пиримидинов или же двух пуринов маловероятно.
• Во-вторых, проявление лактим-лактамной таутомерии для тимина в условиях клетки маловероятно, так как для перехода этого основания в гидроксиформу (а тем более в дигидроксиформу) требуется понижение значения pH, что сложно представить, так как кислотность является одним из важнейших показателей для протекания нормальных процессов в каждом органоиде клетки, и потому поддерживается на сравнительно постоянном уровне.

Таким образом, можно предположить, что наиболее предпочтительными из нарисованных пар будут пара А-Т (Хугстиновская) и пара Т-G, где тимин находится в лактамной форме.