3.2. Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты состоят из чередующихся звеньев фосфатной кислоты и сахара – углевода рибозы в рибонуклеиновой кислоте (РНК) и дезоксирибозы в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК).

К каждому углеводному звену присоединено одно из четырех азотистых оснований. ДНК и РНК – это тесты, написанные четырехбуквенным алфавитом. Они ответственны за биосинтез белков, за сборку их первичных структур.

ДНК – вещество генов, которое содержится в хромосомах и митохондриях клеток, а также бактериофагах. Молекулярные массы ДНК достигают 10⁹. Это самые большие из известных молекул.

РНК фигурирует в различных формах, как в ядре, так и в цитоплазме клеток, а также в вирусах и фагах. Существует четыре типа РНК:

1) высокомолекулярные рибосомные РНК (рРНК) - с молекулярной массой порядка 10⁶;

2) матричные, или информационные (мРНК) - с молекулярной массой 30000 и выше;

3) транспортные (тРНК) - с молекулярной массой 20000. Они содержат около 80 нуклеотидов;

4) высокомолекулярные вирусные РНК.

Существуют первичные и вторичные структуры в РНК и ДНК.

В настоящее время хорошо изучены структуры различных тРНК, известны “тексты” различных генов. Гены - это фрагменты (отрезки) молекул ДНК и РНК, которые программируют синтез белков, то есть являются ответственными за него. Таким образом, ген– это участок молекулы ДНК, в котором находится информация о первичной структуре какого-либо одного белка (один ген – один белок). Некоторые гены уже синтезированы. Ежегодно сообщается о синтезе все новых и новых генов.

Вторичная структура ДНК была установлена методом рентгеноструктурного анализа. Структура белка оказалась спиральной.

Информативная ДНК построена в виде двойной спирали, которая состоит из двух взаимно перевитых полинуклеиновых цепей, азотистые основания которых попарно соединены водородными связями. Обе цепи ДНК в двойной спирали взаимно камплементарны, то есть наблюдается однозначное соответствие между их нуклеотидами.

Доказано, что ДНК может кристаллизоваться в различных двухспиральных формах. При относительно низкой влажности ДНК кристаллизуется в так называемую α-форму. При большой влажности реализуется гексагональная β-форма.

Обе формы различаются значениями шага двойной спирали, углами поворота между соседними парами оснований и наклоном плоских пар к оси спирали. Если смотреть вдоль связи, вокруг которой происходит вращение спирали, то дальняя связь вращается по часовой стрелке относительно ближней. Эксперименты показывают, что все упомянутые двойные спирали нуклеиновых кислот имеют правое вращение, и только недавно было доказано, что существуют левые двойные спирали.

Специфическая двухсторонняя структура ДНК непосредственно объясняет ряд очень важных фактов – репликацию при митозе клеток и метаболическую устойчивость ДНК. При репликации двойная спираль сначала разделяется вследствие водородных связей и раскручивания цепей. Каждая цепь служит матрицей для сборки новой цепи, комплиментарной к матрице. Мономеры новой цепи соединяются с матрицей, образуя соответствующие пары. Одновременно происходит поликонденсация нуклеазитрифосфатов, и в результате образуются две двойные спирали, тождественные первичной. Такая полуконсервативная модель подтверждена экспериментами, содержит одну старую и одну новую цепь.

Из фага Т₂ были выделены кольцевые двухспиральные молекулы ДНК длиной до 49 мкм. ДНК свернута в очень рыхлый клубок. Плотность ДНК приблизительно равна 1,7 г/см³. При нагревании и изменении рН происходит денатурация ДНК - переход двойной спирали в два клубка.

Круговой дихронизм (КД) ориентированных и неориентированных пленок ДНК меняется при изменении влажности и ионной силы.

Доказано, что структура двойной спирали ДНК и двухспиральных участков РНК определяется слабыми взаимодействиями – водородными связями, электростатическими и дисперсионными силами. Водородные связи возникают между различными атомами азотистых оснований ДНК. При плавлении двойной спирали водородистые связи между основаниями заменяются связями с молекулами воды. Азотистые основания спирали ДНК представляют собой π-электронные циклы, расположенные параллельно друг другу. Теоретические расчеты взаимодействий между азотистыми основаниями в ДНК показали, что Ван-дер-Ваальсовы силы в некоторых комплиментарных парах азотистых оснований значительно выше водородных взаимодействий.

В настоящее время разработаны методы расчета энергии горизонтальных и вертикальных взаимодействий атомов. Определяется сумма энергий электростатических и поляризационных взаимодействий и энергии отталкивания.

Денатурация нуклеиновых кислот сводится к разрушению двойной спирали ДНК или двухспиральных участков РНК. Нагревание раствора ДНК вызывает разделение двойной спирали на две цепи – сворачивающуюся и статического клубка. При этом уменьшается вязкость и оптическая активность. Возникает интенсивность поглощения света области 260 нм.

Доказано, что температура плавления ДНК растет с увеличением ионной силы раствора и пропорциональна логарифму концентрации катионов. Это объясняется тем, что чем выше концентрация катионов, тем в большей степени компенсированы отрицательные заряды фосфатных групп, следовательно, тем меньше отталкивание между комплиментарными цепями.

ДНК – уникальный пример одномерной упорядоченной структуры с апериодическим распределением звеньев. Термодинамические характеристики плавления ДНК были изучены методами микроколориметрии. Было доказано, что температура плавления сильно зависит от рН. При возрастании рН от 7,0 до 9,7 температура плавления убывает от 84,8 до 66,3 ºС. значение температуры плавления во многом зависит от ионной силы.