Нуклеиновые кислоты PDF Печать E-mail

Нуклеиновые (от лат. nucleus — ядро) кислоты, так же как и белки, — нерегулярные линейные полимеры. Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Они получаются при неполном гидродизе нуклеиновых кислот. Полный гидролиз приводит к образованию фосфорной кислоты, сахара-пентозы и азотистых оснований. Таким образом, нуклеотид состоит из остатка фосфорной кислоты, моносахарида и азотистого основания.

Существует два вида нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые (РНК), содержащие сахар рибозу, и дезоксирибонуклеиновые (ДНК), в состав которых входит дезоксирибоза. ДНК и РНК различаются не только по сахарам, но и по набору азотистых оснований, которые являются производными пурина и пиримидина. Пуриновые основания — аденин и гуанин — входят в состав как ДНК, так и РНК. Что касается пиримидиновых оснований, то цитозин содержится в нуклеиновых кислотах обоих типов, тимин — только в ДНК, урацил — только в РНК.

Две полинуклеотидные цепи (или два участка одной цепи) формируют стабильную двуцепочечную структуру, если напротив нуклеотидов одной цепи располагаются строго определенные, способные к точному спариванию нуклеотиды другой цепи. В этом случае говорят, что последовательности нуклеотидов в двух цепях комплементарны (от лат. complementum — дополнение) друг другу. РНК обычно находится в виде одной цепи, ДНК — в виде двуцепочечной молекулы. При образовании нуклеотидов специальные ферменты соединяют с рибозой аденин, гуанин, цитозин и урацил, а с дезоксирибозой — аденин, гуанин, цитозин и тимин.

Нуклеотиды в клетке находятся не только в составе нуклеиновых кислот, но могут быть самостоятельными соединениями с очень важными функциями. Так, нуклеотиды могут служить переносчиками энергии. Чаще всего в роли такого переносчика выступает аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) (аденозин — это аденин плюс рибоза). Производные нуклеотидов служат также переносчиками атомов водорода или отдельных химических групп. Они входят в состав многих коферментов. Такое производное аденина, как циклический аденозинмонофосфат является универсальным сигнальным соединением, регулирующим внутриклеточные процессы.

ДНК и РНК отличаются не только химическим составом, но и длиной полимерной цепи. Молекулы РНК состоят из десятков, сотен или тысяч мономеров, а ДНК могут состоять из миллионов и даже сотен миллионов нуклеотидов. В состав самой длинной молекулы ДНК в клетках человека входит 250 миллионов мономеров. Ее длина больше 8 см. Если мы захотим напечатать последовательность всех нуклеотидов ДНК бактерии Escherichia coli (кишечной палочки), то нам потребуется около 700 страниц. Полная последовательность нуклеотидов ДНК одной клетки человека займет более 800 тысяч страниц текста!

Нуклеиновая кислота представляет собой неразветвленную цепь, в которой остатки фосфорной кислоты соединяют третий углеродный атом одной пентозы с пятым атомом другой. В результате на одном конце полинуклеотида находится остаток фосфорной кислоты, присоединенный к углероду в пятом положении сахара, а на другом — свободная 3-гидроксильная группа сахара.

Началом цепи принято считать 5, а концом — 3 - конец. К каждому сахару цепи присоединены азотистые основания, которые чередуются по длине цепи без какой-либо видимой закономерности. По аналогии с белками можно говорить о том, что нуклеиновые кислоты обладают первичной структурой, которая есть не что иное, как последовательность нуклеотидов в полинуклеотидной цепи.

Пространственная структура была установлена вначале для молекулы ДНК. Молекулы РНК более разнообразны по форме, поэтому их пространственная организация установлена только для некоторых коротких молекул.

Оказалось, что молекула ДНК — это две противоположно направленные полинуклеотидные цепи, спирально закрученные одна относительно другой. Азотистые основания лежащих друг напротив друга нуклеотидов соединены водородными связями. С аденином всегда связан тимин, а с гуанином — цитозин. Если известна последовательность оснований в одной цепи (например, Т-Ц-Г-Ц-А-Т), то благодаря специфичности спаривания (принцип дополнения, т.е. комплементарности) легко определить и последовательность оснований ее партнера — второй цепи (А-Г-Ц-Г-Т-А). Урацил образует с аденином две водородные связи, как и тимин. Противолежащие последовательности и соответствующие полинуклеотидные цепи называют комплементарными.

Начало истории открытия структуры ДНК связано с исследованиями американского биохимика Эрвина Чаргаффа. Он количественно проанализировал нуклеотидный состав ДНК и установил, что у всех изученных им видов содержание аденина равно количеству тимина, т.е. А = Т, а количество гуанина всегда равно количеству цитозина, т.е. Г = Ц. Таким образом, число пуриновых оснований всегда равно числу пиримидиновых оснований. Такие закономерности получили название правил Чаргаффа.

Примерно в то же время физики Морис Уилкинс и Розалинд Франклин, основываясь на данных рентгеноструктурного анализа, установили, что молекулу ДНК образуют две полинуклеотидные цепи, закрученные спиралью. Нуклеотиды расположены в таких нитях друг от друга на расстоянии 0,34 нм, а на один виток спирали их приходится десять. Диаметр такой спирали составляет 2 нм. Из рентгеноструктурных данных, однако, было не ясно, каким образом в молекуле удерживаются две нити ДНК.

Картина полностью прояснилась в 1953 г., когда американский биолог Джеймс Уотсон и английский физик Френсис Крик, суммировав все известные данные о структуре молекулы ДНК, пришли к выводу, что сахарофосфатный остов находится на периферии молекулы ДНК, а пуриновые и пиримидиновые основания — в середине. Причем они ориентированы таким образом, что между основаниями из противоположных цепей могут образовываться водородные связи. Между аденином и тимином образуются две водородные связи, а между гуанином и цитозином — три. Из построенной ими модели выяснилось, что пурин в одной цепи всегда связан водородными связями с противолежащим пиримидином в другой цепи, и такие пары имеют одинаковый размер по всей длине молекулы. Не менее важно и то, что аденин может спариваться лишь с тимином, а гуанин только с цитозином.

Каждая из пар оснований обладает симметрией, позволяющей ей включиться в двойную спираль в двух ориентациях (А = Т и Т = А; Г≡Ц и Ц≡Г). В каждой из цепей ДНК основания могут чередоваться всеми возможными способами.

Хотя водородные связи, стабилизирующие пары оснований, относительно слабы, каждая молекула ДНК содержит так много пар, что в физиологических условиях комплементарные цепи никогда спонтанно (самостоятельно) не разделяются. Однако их можно разделить (вызвать денатурацию), если повысить температуру раствора, в котором находится ДНК. В клетке разделение цепей ДНК осуществляется специальными ферментами.

Полинуклеотидная цепь ДНК может взаимодействовать с молекулой РНК, если она противоположно направлена и содержит комплементарные азотистые основания. Например, с полидезоксирибонуклеотидом 3-А-Т-Т-Г-Ц-А-Т-5 будет комплементарно взаимодействовать полирибонуклеотид 5-У-А-А-Ц-Г-У-А-3,    при этом напротив аденина дезоксирибонуклеотидной цепи будет находиться урацил рибонуклеиновой цепочки. Этот процесс называется гибридизацией. Противоположно направленные рибонуклеиновые цепи или отдельные участки молекул РНК также могут комплементарно взаимодействовать друг с другом.

Двуцепочечные участки полинуклеотидов всегда спирально закручены — это вторичная структура. У всех живущих на Земле организмов ДНК присутствует в виде двуцепочечных молекул, т.е. имеет регулярную вторичную структуру по всей длине молекулы. Известные РНК существуют в виде одной цепи с отдельными спиральными участками по длине молекулы. Исключение составляют некоторые вирусы животных и бактерий. У них можно встретить одноцепочечные ДНК и двуцепочечные РНК. Все одноцепочечные ДНК кольцевые. Двуцепочечные ДНК встречаются и в кольцевой и в линейной форме. Кольцевые ДНК находятся в клетках бактерий. У животных, грибов и растений имеются как линейные, так и кольцевые ДНК.

Третичная структура установлена для некоторых коротких молекул РНК, так называемых транспортных — тРНК. В ее создании участвуют гидрофобные взаимодействия, так же как и при образовании третичной структуры белков.

Интересные статьи по биологии:

1) Возникновение сообществ и их динамика

2) Вид и его экологическая ниша