Структура нуклеиновых кислот и молекулярная генетика
Интерес к молекулярной структуре нуклеиновых кислот необычайно возрос после того, как.в 1952 г. Уотсоном и Криком была постулирована хорошо известная спиральная структура ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Она настолько хорошо всем знакома, что мы не приводим здесь ее изображения. Интересно заметить, что структура образована двумя спиралями, которые закручены вокруг общей оси, и стабильность такой двойной спирали возрастает вследствие возникновения водородных связей между соответствующими основаниями разных спиралей, расположенными на одной высоте друг против друга. Связанные таким образом основания образуют систему комплементарных пар (следуя принятым обозначениям, так называемые AT- и GC-пары). Благодаря тому что А связывается только с Т, a G с С, становится понятным механизм репродукции ДНК, которая является веществом наследственности во всяком живом организме. Две цепи раскручиваются и расходятся, после чего каждая из них способна служить матрицей для синтеза комплементарной цепи. Поэтому две образовавшиеся молекулы ДНК являются репликами исходной молекулы. Все это оказывается возможным благодаря особенностям образования вторичных валентных — именно водородных связей.
Кроме дезоксирибонуклеиновой, существует также рибонуклеиновая кислота (РНК), которая принимает участие в метаболизме и участвует в синтезе белков. Если ДНК является веществом наследственности и последовательность оснований в ней определяет наследуемые особенности организма, то истинный механизм, с помощью которого информация, закодированная в такой последовательности, трансформируется в активность клетки, связан с функцией РНК, известной как информационная РНК (m-РНК), которая в первую очередь синтезируется с помощью соответствующего процесса копирования ДНК. Существует огромное количество различных m-РНК, соответствующих всему многообразию белков и ферментов в живых организмах. Каждый белок синтезируется на соответствующей ему информационной РНК также с помощью процесса определенной репликации, однако в данном случае приходится иметь дело с перекодировкой последовательности оснований в последовательность аминокислот. Было доказано, что кодом для каждой аминокислоты является определенная последовательность трех нуклеотидных единиц. Мы не описываем здесь подробно генетический код, так как этот вопрос широко был освещен на страницах печати и хорошо известен.
Однако если необходимо понять основы механизма синтеза РНК и синтеза белка на РНК, следует вновь обратиться к молекулярным силам, участвующим в этих процессах и обеспечивающим те конформации, которые принимают цепи. Первый анализ конформации нуклеиновых кислот для оценки двугранных углов был проведен в лаборатории автора главным образом в сотрудничестве с доктором Сасисекхараном и другими коллегами. Мы рассмотрели нуклеотидную единицу, изображенную на рис. 11, и возможные двугранные углы, образующиеся в ней.
Рис. 11. Возможные двугранные углы в нуклеотиде
С помощью рентгеноструктурного анализа было исследовано большое число нуклеотидов и ди-нуклеотидов, и теперь нам хорошо известны области значений этих углов, которые отвечают стабильной структуре нуклеиновых кислот. Интересно заметить, что теоретические выводы здесь очень хорошо согласуются с экспериментальными данными. Еще более интересным является тот факт, что тщательный анализ изолированной нуклеотидной единицы, диапазона разрешенных для ее конформации значений двугранных углов помогает понять, почему возникают определенные спиральные структуры в полинуклео-тидах и нуклеиновых кислотах.