§ 55. Нуклеиновые кислоты

§ 55. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Потрясающие вещи происходят в биологии. Мне кажется, Джим Уотсон сделал открытие, сравнимое с тем, что сделал Резерфорд в 1911 г.

История исследования строения и распространенности нуклеиновых кислот

Эпиграфом к этой теме послужили строки из письма физика-теоретика и биофизика Макса Дельбрюка (Max Ludwig Henning Delbrück) Нильсу Бору от 14 апреля 1953 года. Речь идет о нуклеиновых кислотах.

Впервые нуклеиновые кислоты были обнаружены в 1869 году швейцарским врачом и биологом Ф. Мишером (Friedrich Miescher) в ядрах клеток (лат. nucleus — ядро). Наряду с белками и углеводами, они являются биополимерами, участвуя в различных синтетических процессах клетки, в передаче наследственных свойств организма и в биосинтезе специфических для каждого организма белков. При этом данные вещества существенно отличаются от белков и по биологическому действию, и по физико-химическим характеристикам.

Нуклеиновые кислоты (НК) построены не из аминокислот, а из нуклеотидов, образующихся при гидролизе НК. Нуклеотид состоит из трех частей: азотистого гетероциклического основания (пуринового и пиримидинового ряда), моносахарида (пентозы: рибозы или дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. В зависимости от природы моносахарида они подразделяются на рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК). В молекуле РНК роль моносахарида играет рибоза, а в молекуле ДНК — дезоксирибоза:

ДНК отличаются от РНК по составу, химической структуре, молекулярной массе, по их местоположению в клетке и, наконец, по своей биологиче-

357

Глава 11. Гетероциклические соединения. Нуклеиновые кислоты

ской роли. ДНК локализуются в основном в клеточном ядре. Наличие РНК не связано строго с каким-либо определенным клеточным органоидом. Она обнаруживается во всех частях клетки: в хромосомах клеточного ядра, митохондриях, микросомах и т. д.

В полимерных молекулах ДНК и РНК нуклеотиды связываются между собой остатками фосфорной кислоты, которая присоединяется к гидроксильной группе моносахарида в положении 3 одного нуклеотида и к аналогичной группе в положении 5 — другого нуклеотида:

Азотистое основание соединяется в молекуле нуклеотида с моносахаридом при участии гликозидного гидроксила, а остатки фосфорной кислоты образуют сложноэфирные связи с гидроксильными группами моносахарида при атомах углерода 3′ и 5′. Нуклеотиды являются промежуточными продуктами

358

§ 55. Нуклеиновые кислоты

обмена веществ в организме. Важнейшие из них — аденозиндифосфат (АДФ) и аденозинтрифосфат (АТФ).

При отщеплении фосфорной кислоты от нуклеотида образуются нуклеозиды, молекулы которых состоят из моносахарида и азотистого основания. При полном гидролизе нуклеиновых кислот образуются моносахарид (рибоза или дезоксирибоза), азотистые основания и фосфорная кислота.

В состав всех живых организмов обязательно входят нуклеиновые кислоты обоих типов. Только вирусы содержат кислоты одного типа. Недавно было выяснено, что рибоза и дезоксирибоза не являются единственными углеводами, входящими в состав нуклеиновых кислот: в ряде фаговых ДНК и РНК некоторых видов раковых клеток найдена глюкоза.

Остановимся подробнее на каждом из видов нуклеиновых кислот.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК)

Дезоксирибонуклеиновые кислоты — биополимеры с молекулярной массой, достигающей 4–8 млн. Такие молекулы состоят из 10–25 тыс. отдельных нуклеотидов. Мономерной единицей ДНК являются дезоксирибонуклеотиды, содержащие в качестве углеводного компонента 2-дезокси-D-рибозу (в β-фу- ранозной форме), в которой гликозидный гидроксил дезоксирибозы замещен пуриновым или пиримидиновым основанием, а гидроксильные группы при С3 (или при С5) замещены этерифицированным остатком фосфорной кислоты. Азотистые основания связаны с моносахаридом через атом азота в положении 9 пуринового кольца или в положении 3 пиримидинового кольца.

359

Глава 11. Гетероциклические соединения. Нуклеиновые кислоты

Соединения, построенные из остатков азотистых оснований и дезоксирибозы, называются дезоксирибонуклеозидами.

Нуклеозид, образованный аденином и β-D-дезоксирибозой

При полном гидролизе ДНК образуются четыре типа азотистых оснований (два пуриновых (аденин и гуанин) и два пиримидиновых (цитозин и тимин)), моносахарид дезоксирибоза и фосфорная кислота.

Таким образом, дезоксирибонуклеиновая кислота включает в себя четыре различных нуклеотида: гуанозиновый, аденозиновый, тимидиновый и цитидиновый.

Позднее в высших растениях и животных в относительно небольших количествах было обнаружено и пятое азотистое основание пиримидинового типа — 5-метилцитозин.

В 1953 году Дж. Уотсон (James Dewey Watson) и Ф. Крик (Francis Harry Compton Crick) на основании данных рентгеноструктурного анализа предложили модель макромолекулярной структуры ДНК. Согласно модели Уотсона и Крика, молекула ДНК состоит из двух полимерных спиралеобразных цепочек, закрученных вокруг одной и той же общей оси (рис. 11.1).

Каждая цепочка построена из звеньев четырех сортов: А (адениновое), Г (гуаниновое), Т (тиминовое) и Ц (цитозиновое). Последовательность звеньев в каждой цепи может быть совершенно произвольна. Но эти последовательности в отдельно взятой молекуле ДНК строго связаны друг с другом принципом комплементарности (или дополнительности): против А располагается Т, против Т — А, против Г — Ц, и, наконец, против Ц — Г. Строго определенная

360

§ 55. Нуклеиновые кислоты

Рис. 11.1. Модель двойной спирали ДНК

последовательность нуклеотидов в макромолекуле ДНК характеризует ее первичную структуру. Для всех ДНК обнаружены следующие закономерности:

—сумма пуриновых нуклеотидов равна сумме пиримидиновых;

—содержание аденина равно содержанию тимина;

—содержание гуанина равно содержанию цитозина.

Таким образом, молекула ДНК слагается из двух комплементарных, или дополнительных, друг к другу цепей. Диаметр двойной спирали составляет 2 нм, расстояние между соседними парами оснований вдоль спирали — 0,34 нм. Полный оборот двойная спираль делает через 10 пар. Две цепи ДНК скреплены друг с другом водородными связями между азотистыми основаниями, расположенными внутри двойной спирали, где пуриновому основанию одной цепи всегда соответствует пиримидиновое основание другой.

Таким образом, последовательность азотистых оснований в одной цепи ДНК полностью предопределяется последовательностью оснований в другой.

При нагревании раствора ДНК в определенных условиях до 80–90 °С происходит денатурация нуклеиновой кислоты: разделение ее молекулы на две отдельные цепи с потерей биологической активности. При осторожном охлаждении имеет место обратный процесс — ренатурация с восстановлением биологической активности.

Важной проблемой в молекулярной биологии является определение нуклеотидной последовательности в ДНК. Больших успехов в этом направлении

361

Глава 11. Гетероциклические соединения. Нуклеиновые кислоты

добился Фредерик Сенгер (Frederick Sanger), который в середине 1950-х годов разработал метод определения аминокислотной последовательности белков и в 1958 году получил Нобелевскую премию по химии за определение структуры инсулина.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК)

Молекулярная масса молекулы РНК достигает 1,5–2 млн. В составе таких молекул 4–6 тыс. отдельных нуклеотидов. Установлено, что содержание РНК в организме меняется в зависимости от типа его клеток, возраста и физиологического состояния.

При полном гидролизе РНК образуются, так же как в случае ДНК, четыре азотистых основания: два пуриновых (аденин и гуанин) и два пиримидиновых (цитозин и урацил), моносахарид рибоза и фосфорная кислота. Таким образом, состав РНК отличается от ДНК набором азотистых оснований (вместо тимина — урацил) и моносахаридом (вместо дезоксирибозы — рибоза). По

362

§ 55. Нуклеиновые кислоты

сравнению с рибозой молекула 2-дезоксирибозы является соединением, восстановленным по второму углеродному атому. Цифра 2 указывает номер того углеродного атома рибозы, у которого гидроксильная группа заменена на атом водорода:

Азотистое основание соединяется в молекуле нуклеотида с моносахаридом с участием гликозидного гидроксила:

Нуклеиновым кислотам принадлежит очень важная роль в обеспечении специфического синтеза биополимеров в организме человека, животных, растений, микробов. Выделение из биологических объектов НК уже не является единственным методом их получения. Широко распространенным стал синтез нуклеиновых кислот. Созданы автоматические стинтезаторы НК, отличающиеся высокой производительностью и надежностью. Особенно важен химический синтез нуклеиновых кислот для получения генов, их фрагментов. Первый такой синтез гена аланиновой транспортной РНК был осуществлен уже в 1972 году.

363

Глава 11. Гетероциклические соединения. Нуклеиновые кислоты

ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

1.С участием каких атомов и почему реализуется водородная связь между азотистыми основаниями в молекуле ДНК?

2.Поясните следующие термины: «комплементарность», «нуклеотид», «нуклеозид».

3.Приведите примеры влияния водородной связи на стабилизацию структур биополимеров.

4.Какие различия в составе и строении РНК и ДНК вы могли бы отметить?

5.Известно, что в составе ДНК имеются азотистые основания пуринового и пиримидинового ряда. Почему все-таки этот биополимер носит название кислоты (дезоксирибонуклеиновая кислота), а не основания?

6.Какие продукты образуются при полном гидролизе РНК и ДНК?

364