Нуклеиновые кислоты, раздел «Биолог»

Нуклеиновые кислоты — природные высокомолекулярные органические соединения, полинуклеотиды, обеспечивают хранение и передачу наследственной (генетической) информации в живых организмах. Нуклеиновые кислоты открыл в 1869 г. швейцарский ученый Ф. Мишер как составную часть клеточных ядер, поэтому-свое название они получили от латинского слова nucleus — ядро.

Нуклеиновые кислоты состоят из цепочек, содержащих от десятков до миллиарда нук-леотидов. В состав каждого нуклеотида входит гетероциклическое основание — аденин (А) или гуанин (Г), являющиеся производными пурина, цитозин (Ц), урацил (У) или тимин (Т), являющиеся производными пиримидина, — углевод (рибоза или дезоксирибоза) и фосфорная кислота (рис. 1).

В природе существуют нуклеиновые кислоты двух типов, различающиеся по составу, строению и функциям. Одна из них содержит углеводный компонент дезоксирибозу (см. Углеводы) и названа дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК). Вторая, содержащая рибо-зу, названа рибонуклеиновой кислотой (РНК). ДНК и РНК различаются также и по составу пиримидиновых оснований: для ДНК характерно наличие тимина, для РНК — урацила. Цепочки ДНК обычно гораздо длиннее, чем цепочки РНК.

Гетероциклическое основание, углевод и фосфорная кислота образуют нуклеотид — мономер (рис. 1 и 2, А). Нуклеотиды соединяются в полимерные молекулы РНК и ДНК фосфодиэфирными мостиками (рис. 3). Число нуклеотидных звеньев, связанных в единую полинуклеотидную цепь, варьирует в широких пределах. Наибольшей молекулярной массой обладает ДНК (десятки миллионов и миллиарды дальтон). Так, молекулярная масса ДНК микроорганизма кишечной палочки 2,5•10⁹ дальтон, число нуклеотидов в ней 4,5•10⁶. Основная масса ДНК клетки эукари от расположена в ядре, но она обнаружена также в митохондриях, хлоропластах.

В 1953 г. американский биохимик Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик построили модель пространственной структуры ДНК; которая имеет вид двойной спирали (рис. 2, Г). Она соответствовала данным английских ученых Р. Франклин и М. Уилкинса, которые с помощью рентгеноструктурного анализа ДНК смогли определить общие параметры спирали, ее диаметр и расстояние между витками. В 1962 г. Уотсону, Крику и Уилкинсу за это важное открытие была присуждена Нобелевская премия.

Двойная спираль образована двумя полинуклеотидными цепями, которые закручены вокруг общей воображаемой оси (рис. 4). Дезоксирибозофосфатная цепь, составляющая основу спирали, обращена наружу. Азотистые основания (А, Т, Г, Ц) обращены внутрь спирали и образуют пары таким образом, что А одной цепи всегда находится против Т другой цепи, а Г — против Ц. Между сближенными парами оснований образуются водородные связи: две — между А и Т и три — между Г и Ц (рис. 5). Поэтому нуклеотидная последовательность одной цепи подходит (комплементарна) к нуклеотидной последовательности другой (комплементарность — взаимное соответствие в химическом строении молекул, обеспечивающее их взаимодействие; комплементарные структуры подходят друг к другу, как ключ к замку). На один виток спирали приходится 10 нуклеотидных остатков. Шаг спирали составляет 3,4 нм, диаметр спирали — около 2 нм.

В хромосомах ДНК в комплексе с белками образует сложную сверхспираль — свернутую двойную спираль, благодаря чему достигается максимально плотная ее упаковка (рис. 2, Б). На стадии метафазы хромосома в 10 тыс. раз короче, чем нить ДНК, образующая эту хромосому.

ДНК служит носителем генетической информации в клетке. Эта информация содержится в ДНК в виде последовательности четырех видов нуклеотидов, в различном порядке чередующихся в полинуклеотидной цепи. Цепочка из 100 нуклеотидов может быть построена 4¹⁰⁰ различными способами. Поэтому образуется огромное число межвидовых и внутривидовых вариаций ДНК, которые кодируют множество различных белков, определяющих появление у разных организмов характерных для них признаков.

Перед делением клетки (в S-периоде клеточного цикла) цепи родительской ДНК тоже разделяются, и каждая из них становится матрицей (шаблоном) для синтеза комплементарной цепи (рис. 2, В). Этот механизм лежит в основе передачи генетической информации следующему поколению клеток.

Вся РНК клетки синтезируется на ДНК в ядре (см. Транскрипция). По величине молекулярной массы, функциональному значению, расположению в клетке различают три вида РНК: транспортные (тРНК) — низкомолекулярные РНК, локализованы в цитоплазме, осуществляют перенос аминокислот к рибосомам при биосинтезе белков (рис. 7); рибосомальные (рРНК) — высокомолекулярные РНК, являющиеся структурной основой рибосомы, на их долю приходится 80—85% суммарной клеточной РНК; информационные, матричные (иРНК, мРНК) — высокомолекулярные РНК, являющиеся матрицей для биосинтеза полипептидных цепей (см. Трансляция). Таким образом, РНК, будучи переносчиком генетической информации, в то же время участвует в реакциях, при помощи которых эта информация реализуется, например, в процессе биосинтеза белков. В отличие от ДНК спирализация цепи РНК осуществляется в пределах одной молекулы, причем в виде спирали находится примерно 50% цепи, остальные участки остаются одноцепочечными.

Нуклеиновые кислоты в клетке связаны с белками (за исключением тРНК). В соответствии с двумя типами нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) различают дезоксирибонуклео-протеины (ДНП) ирибонуклеопротеины (РНП). С включением в молекулу нуклеиновой кислоты большого числа белковых молекул у такого рода образований появляются уникальные свойства. Так, РНП-частицы (рибосомы) играют совершенно исключительную роль в биосинтезе белков, а ДНП-частицы (нуклеосомы) — в формировании и функционировании хромосомного аппарата клетки эукариот.