§ 7. Нуклеиновые кислоты

Вы уже знаете, что все живые существа способны сохранять наследственную информацию и переда­вать ее потомкам при размножении. Эту функцию, благодаря особенностям своего строения, выполняют нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновые кислоты — сложные высокомолекулярные био­полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Впервые нуклеиновые кислоты были обнаружены и выделены из ядер лейкоцитов человека и спермато­зоидов лосося, откуда и произошло их название (от лат. нук­леус — ядро). Впоследствии нук­леиновые кислоты были обнару­жены во всех растительных и животных клетках, грибах, протистах, бак­териях и вирусах.

Нуклеиновые кислоты – самые крупные из молекул, образуемых живыми организмами. Их молекулярная масса может достигать до нескольких миллионов углеродных единиц.

Строение нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, пятиуглеродного сахара (пентозы) и остатка фосфорной кислоты (рис.). В молекуле нуклеотида азотис­тое основание присоединено к пер­вому атому углерода молекулы пентозы, фосфат — к пятому.

Название нуклеотидов происхо­дит от названия соответствующих азотистых оснований, так как нуклеотиды различаются только ими. Они обозначаются заглавными бук­вами: А — аденин — адениловый нуклеотид; Г — гуанин — гуаниловый нуклеотид; У — урацил — уридиловый нуклеотид; Т — тимин — тимидиловый нуклеотид; Ц — ци­тозин — цитидиловый нуклеотид.

Образование полинуклеотидов. Остаток фосфорной кислоты, связанный с пятым атомом углерода в пентозе, может соединяться ковалентной связью (фосфодиэфирной) с гидроксильной группой возле третьего атома углерода соседнего нуклеотида (рис. ). К динуклеотиду может присоединиться следующий нуклеотид и т.д. В результате образуется длинная цепочка связанных ковалентными связями нуклеотидов — полинуклеотид. Обратите внимание, что концы цепочки нуклеотидов, связанных в полинуклеотидную цепочку, разные. На одном конце расположен связанный с пятым атомом пентозы фосфат, и этот конец называется 5′-концом (читается пять-штрих). На другом конце остается свободная ОН-группа около третьего атома углерода пентозы (3′-конец).

Полинуклеотиды, построенные из соответствующих нуклеотидных звеньев, и называются нуклеиновыми кислотами. Количество нуклеотидов в моле­кулах нуклеиновых кислот бывает разным — от 80 в молекулах транс­портных РНК до нескольких сотен миллионов в ДНК.

В зависимости от вида пентозы в составе нуклео­тида различают два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). В нуклеотиды ДНК входит остаток дезоксирибозы. Нуклеотиды РНК содержат остаток рибозы. В молекулы ДНК и РНК входят остатки азотистых оснований: аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц). Кроме того, в состав ДНК входит остаток тимина (Т), а РНК - урацила (У). Таким образом, в состав как ДНК, так и РНК входит по четыре типа нуклеотидов, различа­ющихся по строению азотистого основания.

Нуклеиновым кислотам, как и белкам, присуща первичная структура — определенная последователь­ность размещения нуклеотидов, а также вторичная и третичная структуры, формирующиеся за счет во­дородных связей, электростатических и других вза­имодействий.

Строение ДНК. Расшифровка структу­ры ДНК имеет свою предысторию. В 1950 г. амери­канский ученый Эрвин Чаргафф и его коллеги, ис­следуя состав молекулы ДНК, установили следующие закономерности:

— число адениновых остатков в любой молекуле ДНК равно числу тиминовых (А = Т), а число гуаниновых — числу цитозиновых (Г = Ц);

— сумма адениновых и гуаниновых остатков рав­на сумме тиминовых и цитозиновых ( А+Г = Т+Ц ).

Это открытие способствовало установлению про­странственной структуры ДНК и определению ее роли в передаче наследственной информации от од­ного поколения другому.

В 1953 г. Джеймс Уотсон и Френсис Крик предло­жили модель пространственной структуры ДНК (рис. ).

Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, соединенных между со­бой водородными связями. Эти связи возникают меж­ду парами нуклеотидов, которые как бы дополняют друг друга. Это явление называется комплементарностъю (от лат. комплементум — до­полнение). Установлено, что между аденином и тимином возникает две водородные связи), а между гуанином и цитозином три водородные связи (рис. ).

Две комплементарные цепи в молекуле ДНК анти­парал­лельны. Это означает, что если для одной цепи мы выбираем направление от 3′ к 5′ (3′ → 5′), то вторая, комплементарная ей цепь, будет ориентирована противоположно первой ( 5′ → 3′), иначе говоря «голова» одной цепи соединяется с «хвостом» другой и наоборот.

В соответствии с предложенной моделью, две нуклеотидные цепи ДНК обвивают одна другую, создавая закрученную вправо спираль, напоминающую винтовую лестницу (вторичная структура ДНК). Один виток спирали вклю­чает 10 пар нуклеотидов. Диаметр такой спирали составляет около 2 нм. В спиральной молекуле двухцепочечной ДНК азотистые основания находятся внутри спирали.

В определенных условиях (действие кислот, ще­лочей, нагревание и т.п.) происходит процесс дена­турации ДНК - разрыв водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями раз­личных полинуклеотидных цепей. При этом ДНК полностью или частично распадается на отдельные цепи, из-за она чего теряет свою биологическую актив­ность. Денатурированная ДНК после прекращения действия указанных факторов может восстановить свою структуру благодаря восстановлению водород­ных связей между комплементарными нуклеотидами (процесс ренатурации ДНК).

Благодаря способности формировать структуры высших порядков (третичную и др.) молекула ДНК приобретает вид компактного образования. Напри­мер, длина ДНК наибольшей хромосомы человека равна приблизительно 8 см, но она скручена так, что помещается в хромосоме, длина которой примерно 5 мкм. Это возможно благодаря тому, что двухцепочечная спираль ДНК претерпевает пространственное уплотнение, формируя трехмерную структуру — суперспираль. Такое строение характерно для ДНК хромосом эукариот и обусловлено в основном взаимодействием ДНК с ядерными белками. У большинства прокариот, некоторых вирусов, а также в митохонд­риях и хлоропластах эукариот ДНК имеет кольцевую структуру.

Функции ДНК. Функцией ДНК является хранение и реализация генетической информации, а также передача наследственной информации потомкам. В ДНК любой клетки закодирована ин­формация обо всех белках данного организма.

РНК. Строение молекул РНК во многом сходно со строением моле­кул ДНК. Однако имеется и ряд существенных отличий. Так, в мо­лекуле РНК вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов входит рибоза, а вместо тимина (Т) — урацил (У). Однако главное отличие состо­ит в том, что молекула РНК пред­ставляет собой одну цепь. Ее нуклеотиды способны образовывать водородные связи между собой (на­пример, в молекулах тРНК, рРНК — см. далее), но в этом случае речь идет о внутрицепочечном соединении компле­ментарных нуклеотидов.

Цепочки РНК значительно ко­роче ДНК.

Виды РНК. В клетке существу­ет несколько видов РНК, которые различаются по величине молекул, структуре и функциям.

Информационная, или матрич­ная, РНК (иРНК) наиболее раз­нородна по размерам и структуре. Молекулы иРНК синтезируются на определенных участках одной из цепей молекулы ДНК и передают информацию о структуре белка из ядра клеток к рибосомам, где эта информация реализуется. Молекулы иРНК служат в качестве матриц для син­теза белков. Содержание иРНК составляет 3 — 5 % всей клеточной РНК.

Рибосомная РНК (рРНК). В комплексе с белками рРНК образу­ют рибосомы — органеллы, на ко­торых происходит синтез белка. Информация о структуре рРНК закодирована в определенных уча­стках ДНК, называемых ядрышковыми организаторами (в этой области в ядре возникает ядрышко). Рибосомные РНК со­ставляют 80 % всей РНК клетки, поскольку в клетке имеется огром­ное количество рибосом.

Транспортная РНК (тРНК). Составляет около 15 % всех клеточ­ных РНК. Молекула тРНК состо­ит в среднем из 80 нуклеотидов. Число различных типов тРНК в клетке невелико (20 — 60). Все они имеют сходную пространственную организацию. Благодаря внутрицепочечным водородным связям мо­лекула тРНК приобретает харак­терную вторичную структуру, на­зываемую к л е в е р н ы м л и с т о м. Функция тРНК — перенос амино­кислот к месту синтеза белка и участие в самом синтезе белка.

Та­ким об­ра­зом, функ­ции РНК в клет­ке свя­за­ны с про­цес­са­ми био­син­те­за бел­ка.

1. Какие типы нуклеиновых кислот существуют? 2. Как осуществляется соединение нуклео­тидов в молекуле ДНК? 3. Какова пространственная структура молекул ДНК? 4. Каким образом стабилизируется молеку­ла ДНК? 5. Каковы отличия в строении молекул РНК и ДНК? 6. Какие типы РНК содержатся в клетке и каковы их функции? 7. Какие связи будут прежде всего разрушаться при действии на молекулу ДНК различных факторов: между соседними нуклеотидами, входящими в состав одной цепи, или между комплементарными нуклеотидами различных цепей? 8. В лаборатории исследовали участок одной из цепочек молекулы ДНК. Оказалось, что он состоит из 9 мономеров, которые расположены в следующей последовательности: Г - Т - Т - А - Ц - Ц – Т - А - Г. Что можно сказать о строении соответствующего участка второй цепочки той же молекулы ДНК? 9. В молекуле ДНК содержится 23 % адениновых нуклеотидов от общего числа нуклеотидов. Определите процентное содержание тиминовых и цитозиновых нуклеотидов.