Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты получили свое название от латинского nucleus - ядро, так как были открыты 1868 г. швейцарским врачом Иоганом Фридрихом Мишером как составная часть ядра. Термин «нуклеиновая кислота» был введен в 1889 г Рихардом Альтманом.

Нуклеиновые кислоты наряду с белками являются важнейшими биополимерами живой клетки. Основная функция ДНК - хранение и передача наследственной информации. Именно ДНК используется в генной инженерии для создания новых видов организмов.

Подобно белкам, ДНК имеют первичную, вторичную и третичную структуры. ДНК в ядрах находится в комплексе с белками (в основном гистонами) в виде нуклеопротеида, где НК связаны водородными и солевыми связями с белками.

Цепи НК построены по иному принципу, чем цепи белков. Цепь нуклеиновой кислоты однообразна. Она состоит из одних и тех же звеньев - нуклеотидов, выступающих в роли мономеров. Нуклеотид состоит из трех компонентов: азотистого основания (пуринового или пиримидинового), пятиуглеродного циклического углевода (рибозы или дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты (рис. 1.11).

Основание связано с 1-м углеродным атомом углевода одним из своих атомов азота С-N- связью (образуется нуклеозид), а остаток фосфорной кислоты связан эфирной связью с 5-м углеродом углевода. В образовании нуклеиновых кислот могут участвовать две группы нуклеотидов, отличающиеся друг от друга природой cахаров и оснований, которые входят в их состав – рибонуклеотиды (содержат сахар рибозу) и дезоксирибонуклеотиды (содержат дезоксирибозу). Первые образуют рибонуклеиновые кислоты (РНК), вторые – ДНК. В ДНК имеются нуклеотиды четырех типов, различающиеся лишь азотистыми основаниями. К этим основаниям относятся два пурина (Pu) – аденин (A) и гуанин (Г) – и два пиримидина (Py) – тимин (T) и цитозин (Ц).

Рис. 1.11. Схема образования полинуклеотида

В РНК присутствуют те же звенья с заменой тимина на урацил (У) и дезоксирибозы на рибозу.

Рис. 2

Структура отдельного нуклеотида (а) и нуклеотидов, объединённых

в цепочку ДНК (б)

В 1953 г. Уотсон и Крик предложили модель ДНК. ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, правозакрученных и свитых вместе относительно одной оси (рис. ). Степень полимеризации очень высокая, цепь может состоять из нескольких десятков (30 - 40) тысяч нуклеотидов (рис. ). Полный оборот спирали приходится на 10 пар оснований.

Каждая цепь – это регулярный полимер, в котором отдельные нуклеотиды соединяются между собой через остаток фосфорной кислоты по третьему атому углерода.

В отличие от углеводно-фосфатного остова, последовательность пуриновых и пиримидиновых оснований вдоль цепи в высшей степени нерегулярна, каждая молекула ДНК определенного типа характеризуется особой последовательностью. Две цепи удерживаются вместе при помощи водородных связей между парами оснований. Такую структуру называют дуплексом. Цепи комплементарны друг другу, т. е. последовательность оснований в одной цепи определяет их последовательность в другой. Аденин всегда соответствует тимину, а гуанин – цитозину (А ↔ Т; Г ↔ Ц).

Удвоение ДНК. Молекулы ДНК обладают свойством, не присущим ни одной другой из известных молекул, - способностью к удвоению. В основе удвоения молекул ДНК также лежит принцип комплементарности. С помощью специальных ферментов водородные связи, скрепляющие нити ДНК, разрываются. При этом две нити исходного дуплекса расходятся, и каждая из них способна управлять построением комплементарной цепи из мономеров, что приводит к воссозданию двух дуплексов, идентичных исходному – «дочерние молекулы». Каждая из них имеет одну нить, полученную от материнской, и другую нить, синтезированную вновь.

Поскольку молекулы ДНК являются матрицами для синтеза всех белков, в ДНК заключена информация о структуре и деятельности клеток и организма в целом. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называют геном, а информацию, которую содержит ДНК, - генетической.

Однако последовательность нуклеотидов в каждой из цепей – это только чертеж для создания новых молекул ДНК. Для сборки новых цепей нужен достаточный запас мономеров, а также специальное устройство, осуществляющее последовательное присоединение мономеров к растущей новой полимерной цепи. Этими устройствами являются ферменты, названные ДНК-полимеразами. Процесс синтеза комплементарной дочерней цепи ДНК на одной из родительских цепей называется репликацией.

После установления строения ДНК было сформулировано представление о генетическом коде, то есть о том, как на молекуле ДНК записаны аминокислотные последовательности программируемых ею белков. Порядок расположения нуклеотидов в молекулах ДНК определяет порядок расположения аминокислот в линейных молекулах белков, т. е. их первичную структуру. Непосредственно сборкой белков из аминокислот ДНК не управляет. Это делает РНК, которая синтезируется при участии ДНК.