2.2.2.4. Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты составляют 1–5% сухой массы клетки и представлены моно- и полинуклеотидами. Мононуклеотид состоит из одного пуринового (аденин – А, гуанин – Г) или пиримидинового (цитозин – Ц, тимин – Т, урацил – У) азотистого основания, пятиуглеродного сахара (рибоза или дезоксирибоза) и 1–3 остатков фосфорной кислоты.

Название нуклеотидов определяется видом основания и пентозы, входящих в их состав (адениловый рибонуклеотид, тимидиловый дезоксидибонуклеотид). В зависимости от числа фосфатных групп различают моно-, -ди- и трифосфаты нуклеотидов, например аденозинмонофосфат – АМФ, гуанозиндифосфат – ГДФ, тимидинтрифосфат – ТТФ и т.д.

Мононуклеотиды выполняют в клетке исключительно важные функции. Они выступают в качестве источников энергии, причем АТФ является универсальным соединением, энергия которого используется почти во всех внутриклеточных реакциях, энергия ГТФ необходима в белоксинтезирующей деятельности рибосом. Производные нуклеотидов служат также переносчиками некоторых химических групп, например НАД (никотинамиддинуклеотид) – переносчик атомов водорода.

Однако наиболее важная роль нуклеотидов состоит в том, что они служат строительными блоками для сборки полинуклеотидов: РНК и ДНК (рибонуклеиновых и дезоксирибонуклеиновых кислот).

РНК и ДНК – это линейные полимеры, содержащие от 70–80 до 10 млрд. мононуклеотидов, которые соединяются ковалентными фосфодиэфирными связями, возникающими между гидроксильной группой пентозы одного нуклеотида и фосфатной группой, следующего нуклеотида.

Полинуклеотидные цепи ДНК и РНК отличаются друг от друга размерами, видом сахара и пиримидиновых оснований в составе нуклеотидов. Нуклеотид РНК содержит пятиуглеродный сахар – рибозу, одно из четырех азотистых оснований (аденин, гуанин, урацил или цитозин) и остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды, входящие в состав ДНК, содержат пятиуглеродный сахар – дезоксирибозу, одно из четырех азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин или цйтозин) и остаток фосфорной кислоты.

Молекулы ДНК большинства живых организмов (за исключением некоторых вирусов-фагов), состоят из двух полинуклеотидных цепей, антипараллельно направленных. Основания располагаются парами друг против друга и соединяются водородными связями. Спаривание происходит только между комплементарными (подходящими друг другу) основаниями: одним пуриновым и одним пиримидиновым. Пара А – Т соединяется двумя, а Г – Ц тремя водородными связями. Молекула ДНК имеет форму двойной спирали, в которой полинуклеотидные цепи закручены вокруг воображаемой центральной оси. Ширина спирали около 2 нм. Шаг или полный оборот спирали составляет 3,4 нм и содержит 10 пар комплементарных нуклеотидов.

ДНК обладает уникальными свойствами: способностью к самоудвоению – репликации и способностью к самовосстановлению – репарации.

Репликация осуществляется под контролем ряда ферментов и протекает в несколько этапов. Она начинается в определенных точках молекулы ДНК. Специальные ферменты разрывают водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями, и спираль раскручивается. Полинуклеотидные цепи материнской молекулы удерживаются в раскрученном состоянии и служат матрицами для синтеза новых цепей. С помощью фермента ДНК-полимепазы из имеющихся в среде трифосфатов дезоксирибонуклеотидов (дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ) комплементарно материнским цепям собираются дочерние цепи. Репликация осуществляется одновременна на обеих материнских цепях, но с разной скоростью и с некоторыми отличиями. На одной из цепей (лидирующей) сборка дочерней цепи идет непрерывно, на другой (отстающей) – фрагментарно. В последующем синтезированные фрагменты сшиваются с помощью фермента ДНК-лигазы. Синтезированные молекулы являются точными копиями друг друга и исходной молекулы ДНК. Такой способ репликации называется полуконсервативным и обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была записана в материнской молекуле (рис. 4).

Рис. 4. Репликация ДНК Водородные связи, соединяющие комплементарные основания двойной спирали ДНК, последовательно разрушаются. Каждая из старых цепей служит матрицей для образования новой цепи

Репарацией называют способность молекулы ДНК «исправлять» возникающие в ее цепях изменения. В восстановлении исходной структуры ДНК участвует не менее 20 белков: узнающих измененные участки ДНК и удаляющих их из цепи, восстанавливающих правильную последовательность нуклеотидов и сшивающих восстановленный фрагмент с остальной молекулой ДНК.

Перечисленные особенности химической структуры и свойств ДНК обусловливают выполняемые ею функции. ДНК записывает, хранит, воспроизводит генетическую информацию, участвует в процессах ее реализации между новыми поколениями клеток и организмов.

Рибонуклеиновые кислоты – РНК – представлены разнообразными по размерам, структуре и выполняемым функциям молекулами. Все молекулы РНК являются копиями определенных участков молекулы ДНК и, помимо уже указанных отличий, оказываются короче ее и состоят из одной цепи.

Матричная или информационная РНК (мРНК, иРНК) синтезируется в ядре под контролем фермента РНК-полимеразы комплементарно информативным последовательностям ДНК, переносит эту информацию на рибосомы, где становится матрицей для синтеза белковой молекулы. В зависимости от объема копируемой информации молекула мРНК может иметь различную длину и составляет около 5% всей клеточной РНК.

Рибосомная РНК (рРНК) синтезируется в основном в ядрышке, в области генов рРНК и представлена разнообразными по молекулярной массе молекулами, входящими в состав большой и малой субчастиц рибосом. На долю рРНК приходится 85% всей РНК клетки.

Т ранспортная РНК (тРНК) составляет около 10% клеточной РНК. Существует более 40 видов тРНК. При реализации генетической информации каждая тРНК присоединяет определенную аминокислоту и транспортирует ее к месту сборки полипептида. У эукариот тРНК состоят из 70–90 нуклеотидов и имеют структуру в виде «клеверного листа». Петля 1 обеспечивает контакт с рибосомой, петля 3 – с ферментами, петля 2 несет антикодон; к акцепторному концу прикрепляется аминокислота (рис. 5).

Рис. 5. Структура тРНК