10.3.1. Общая характеристика

Нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды) — это биополиме­ры, структурными единицами которых являются нуклеотиды, со­стоящие из азотистого основания, моносахарида (рибозы или дезоксирибозы) и фосфорной кислоты.

Основная биологическая функция нуклеиновых кислот — хра­нение и передача наследственной информации. Нуклеиновые кислоты служат материальными носителями генетического кода, который определяет аминокислотную последовательность в бел­ках. Именно эта генетическая информация программирует струк­туру и метаболическую активность живых организмов. Нуклеино­вые кислоты содержатся во всех живых организмах и играют ис­ключительно важную роль в биосинтезе белков. Структурные ком­поненты также выполняют функции кофакторов, аллостеричес­ких эффекторов; входят в состав коферментов.

В организме нуклеиновые кислоты находятся в основном в составе смешанных биополимеров — нуклеопротеинов. Как сле­дует из названия, структурными компонентами таких образова­ний являются нуклеиновые кислоты и белки.

Нуклеиновые основания являются производными азотсодер­жащих гетероциклических соединений — пиримидина или пури­на. В состав полинуклеотидных цепей ДНК входят пиримидино­вые основания тимин (Т) и цитозин (Ц); в случае РНК — урацил (У) и цитозин. Данные соединения обнаруживают способность к лак- тим-лактамной таутомерии:

Аденин (А) и гуанин (Г) являются производными пурина и называются пуриновыми нуклеиновыми основаниями:

Следует отметить, что пиримидиновые основания входят в со­став полинуклеотидов в лактамной форме, что обусловлено воз­можностью образования водородных связей между остатками ос­нований в цепях нуклеиновых кислот: аденин—тимин и гуанин— цитозин в ДНК; аденин—урацил и гуанин—цитозин в РНК (рис. 10.4).

Рассмотрим закономерности состава и количественного содер­жания азотистых оснований в нуклеиновых кислотах (ДНК):

1. мольная доля пуриновых оснований (аденина и гуанина) равна мольной доле пиримидиновых оснований (цитозина и ти­мина);

2. суммарное количество вещества аденина и цитозина равно суммарному количеству вещества гуанина и тимина;

3. количества вещества комплементарных друг другу основа­ний (аденина и тимина, гуанина и цитозина) равны;

4. коэффициент специфичности для животных, равный отно­шению суммы количества вещества гуанина и цитозина к сумме количества вещества аденина и тимина, меньше единицы.

Рис. 10.4. Водородные связи в паре оснований аденин—тимин (а) и гу­анин-цитозин (б)

2. Уровни структурной организации нуклеиновых кислот

Последовательность мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи называют первичной структурой (рис. 10.6). Нуклеотиды связа­ны между собой посредством 3',5'-фосфодиэфирных связей. Как правило, молекулы рибонуклеиновых кислот (РНК) состоят из одной полинуклеотидной цепи, тогда как большинство молекул ДНК двухцепочечные.

Две цепи ДНК, связанные водородными связями между пара­ми комплементарных оснований, образуют правовращающую спи­раль. Таким образом возникает вторичная структура. На следу­ющем этапе компактизации полинуклеотидной цепи на некото­рых участках двойной спирали ДНК могут образоваться «супер­спирали» или кольцевые формы за счет сил Ван-дер-Ваальса — возникает третичная структура ДНК.

В составе молекулы ДНК выделено значительно большее чис­ло нуклеотидных остатков, чем в молекуле РНК; ДНК имеет мо­лекулярную массу порядка 10⁷ и в условиях клетки нерастворима.

Существует несколько разновидностей РНК, среди которых наиболее активными в биосинтезе белка являются:

1. транспортная РНК молекулярной массой -25000;

2. информационная, или матричная, РНК молекулярной мас­сой 10⁵—10⁶.

Длина молекул ДНК человека составляет порядка 3 — 5 мм, молекула РНК значительно короче — до 0,1 мм.

М акромолекулы ДНК связаны между собой попарно при помощи водородных связей в виде двойной спирали постоян­ного диаметра (рис. 10.7). Остатки нуклеи­новых оснований направлены внутрь спи­рали, диаметр которой равен примерно 2 нм. На один виток спирали приходится 10 пар оснований. Для обеспечения наи­большей устойчивости этой структуры не­обходимо, чтобы число водородных связей было максимально возможным. Это дос­тигается определенным соответствием в расположении остатков оснований одной спирали по отношению к остаткам другой: тиминовые группы располагаются напро­тив адениновых, цитозиновые — напротив гуаниновых и т.д. Кроме того, только при выполнении этого условия обеспечивается экспериментально доказанное постоянство суммарных размеров боковых групп и не­изменность диаметра двойной спирали на всем ее протяжении. В этой взаимной обус­ловленности порядка чередования звеньев в обеих цепях заключается принцип комп- лементарности.

Рис. 10.7. Двойная спираль ДНК

Спирализация приводит к возникновению вторичной структу­ры ДНК. Экспериментально было установлено, что чем больше в молекуле ДНК остатков аденозина и тимина, тем при более низ­кой температуре происходит разрушение вторичной структуры, т.е. раскручивание спирали. Это объясняется тем, что суммарный эффект связывания аденин—тимин (две водородные связи) ме­нее выражен, чем аналогичный эффект для пары гуанин—цито­зин (три водородные связи).

Как было сказано, вторичная структура и ДНК, и РНК в зна­чительной степени определяется водородными связями между па­рами комплементарных азотистых оснований, поэтому любые воз­действия, способные разрушать водородные связи, могут менять пространственную организацию нуклеиновых кислот. Полный или частичный разрыв водородных связей, ведущий к раскручиванию полинуклеотидных цепей нуклеиновой кислоты и их последу­ющему разделению, называют денатурацией.

4. Липиды