книги / Органическая химия.-1

В о д о р о д н ы е с в я з и в с т р у к т у р е ДНК

На протяжении всей длины молекулы создается жесткая система регулярных водородных связей между двумя цепями ДНК.

Расстояние между плоскостями пар оснований вдоль оси молеку­ лы составляет при этом 3, 4 À; один виток включает 10 пар оснований вдоль оси и имеет длину 34 À (рис. 52).

Если раздвинуть две связанные Н-связями цепи молекулы ДНК, то на каждой образовавшейся половинке может быть синтезирована только точно дополняющая ее цепь с заданной последовательностью. Если это произойдет, то вместо одной молекулы ДНК образуются две, в точности идентичные исходной.

Экспериментальные данные последних лет подтверждают гипотезу самоудвоения молекул ДНК путем построения на каждой из двух исходных цепей комплементарных к ней новых цепей.

В клетках живых организмов ДНК организована в особые структу­ ры. Эти структуры составляют основу так называемого ядерного4ве­ щества клеток — хроматина; они представлены в виде хромосом и у высших организмов локализованы в клеточном ядре, а у большинства бактерий и некоторых других низших организмов — в протоплазме в виде так называемых нуклеоидов.

Хромосома представляет собой единый гигантский комплекс, состоящий преимущественно из молекул ДНК и белка.

Биологическая функция ДНК в живой клетке связана с регулиро­ ванием состава белка при его синтезе, передачей наследственных признаков.

Q Водород ■Ш Кислород Щ) Углерод

Рис. 52 Модель молекулы ДНК (по Уотсону и Крику):

а —модель молекулы; б — схема молекулы

Роль ДНК впервые была экспериментально установлена в опытах с бактериями.

2. Рибонуклеиновые кислоты (РНК)

Мономерной единицей РНК является рибонуклеотид. Все природ­ ные РНК имеют в качестве углеводного компонента рибонуклеотидов D -рибозу в p -фуранозной форме

В остальном строение рибонуклеотидов целиком подобно строению дезоксирибонуклеотидов. Азотистый компонент нуклеотидов РНК всюду представлен одним из обязательных для каждой РН К основа­ ний: аденином, гуанином, цитозином и урацилом (стр. 599). В соста­

ве ряда РНК (бактериальных) обнаружены некоторые другие, пред­ ставляющие собой, как правило, метилированные производные пури­

соответствующий рибонуклеозид или рибозид.

Фосфорная кислота, этерифицируя один из свободных гидроксилов рибозного компонента нуклеозида, дает соответствующий нуклеотид. В зависимости от положения остатка фосфорной кислоты различают 2-, 3'- и 5' -монофосфаты соответствующих рибонуклеозидов. 3'- и 5'-рибонуклеотиды могут рассматриваться как мономеры природных

РНК.

Межнуклеотидные связи в РНК полностью идентичны таковым в ДНК и столь же строго однотипны. Во всех случаях связь между нуклеотидами в цепи главных валентностей идет за счет фосфатного мостика между третьим и пятым гидроксилами рибозных компонен­ тов двух смежных нуклеотидных остатков. Цепь РНК, как и ДНК, является неразветвленной.

РНК из организмов различных видов неодинаковы как биологи­ чески, так и химически; каждый вид организмов характеризуется, по-видимому, своей специфической РНК» Соотношения нуклеотидов разных типов в РНК клеток разных организмов могут быть различ­ ными.

По-видимому, любая живая клетка содержит сложный набор различных макромолекул РНК с различной химической и биологи­ ческой специфичностью. Установлено существование нескольких функ­ ционально различных типов РНК внутри каждой клетки — рибосомальная РНК, растворимая («транспортная») РНК, информацион­ ная РНК. Нуклеотидный состав этих РНК различен.

Главную массу (80—85%) всей суммарной РНК клеток составляет рибосомальная РНК, входящая в состав рибосом. Эта РНК характери­ зуется большим молекулярным весом (0,5—1,5 млн.), еенуклеозидный состав у разных организмов очень близок. Другой тип клеточной РНК — РНК клеточного сока или так называемая «растворимая», «транспортная» РНК — составляет обычно 10—15% от всей РНК клет­ ки. Она характеризуется молекулярным весом 20 000—30 000 и не связана в какие-либо фиксированные нуклеопротеидные комплексы. Около 1—10% всей клеточной РНК составляет недавно открытая «ин­ формационная» или матричная РНК, молекулы которой по соотноше­ нию своих нуклеотидов и нуклеотидной последовательности представ­ ляют собой полирибонуклеотидные копии различных участков одной из двух цепей молекулы клеточной ДНК. По молекулярному весу молекулы «информационной» РНК, по-видимому, очень различны, но значительную часть составляют большие частицы с молекулярным весом 2 млн. и более. В клетке эта РНК может присутствовать во вре­ менной связи с ядерными компонентами, с рибосомами, а также в свободном виде.

Каждая молекула РНК представляет собой гибкую неразветвлен­ ную нить, состоящую, по-видимому, из одной полинуклеотидной цепи.

Отдельные короткие участки цепи, взаимодействуя друг с другом водородными связями, закручиваются (епирализуются) вокруг друг друга и тем самым формируют внутримолекулярные двуспиральные участки..

Можно считать установленным, что биологическая функция раз­ личных РНК в живой клетке непосредственно связана с синтезом белков. Процесс биосинтеза белков, происходящий в рибосомах про­ топлазмы, начинается с активирования свободных аминокислот при помощи специальных ферментных систем, катализирующих образо­ вание активированной формы аминокислот, например аминоациладенилатов из аминокислот и аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Эта активная форма аминокислоты соединяется с транспортной РНК, специфической для каждой аминокислоты, и доставляется к месту синтеза белка, в рибосомы. Туда же поступает «информацион­ ная» РНК, образовавшаяся путем удвоения из ДНК, и, следователь­ но, как бы списавшая код наследственных признаков, зашифрованный в молекуле ДНК.

ДНК является матрицей для построения информационной РНК, а последняя является матрицей для построения белковой молекулы, так как соединение остатков аминокислот, доставляемых транспорт­ ной РНК, происходит в последовательности, определяемой располо­ жением различных нуклеотидов в информационной РНК.

В настоящее время определено строение около 20 транспортных РНК.

Эфиры аденозина с фосфорной кислотой (адениловая кислота), с пирофосфорной кислотой (аденозиндифосфат, АДФ) и трифосфорной кислотой (аденозинтрифосфат, АТФ) встречаются во всех живых клетках.

Аденозинтрифосфат является универсальным переносчиком фос­ форной кислоты при различных жизненных' процессах.

Аденозин (нуклеознд): а — остаток аденн ; б — остаток рибозы

В молекулах аденозиндифосфата и аденозинтрифосфата ангидрид­ ная связь остатков фосфорной кислоты чрезвычайно богата энергией. При гидролитическом расщеплении этих макроэргических связей энергия освобождается. Если простая сложноэфирная связь содержит запас энергии в 2000—3000 кал, то макроэргические связи содер­ жат около 10 000—16 000 кал. Соединения, содержащие .макроэрги­ ческие связи, властности аденозиндифосфорная кислота и аденозинтрифосфорная кислота, играют важную роль в обмене веществ. Боль­ шое значение этих соединений сязано с тем, что в макроэргических связях аккумулируется энергия, освобождающаяся при различных реакциях, происходящих в процессе дыхания и броженйя. Под влия­ нием соответствующих ферментов фосфатные и другие группы, содер­ жащие макроэргические связи, могут быть перенесены на другие вещества. Таким образом, энергия, накопившаяся в макроэргических связях, может быть^использована далее в обмене веществ.

Различия в запасе энергии в простой и макроэргической фосфатной связи (выделение тепла на 1 моль фосфата)

ЛИТЕРАТУРА

Литература по реакциям и методам органического синтеза

Реакции и методы исследования органических соединений. Кн. I—XX. Гос­ химиздат.

Органические реакции. ИЛ. Сб. 1—14:

«Успехи органической химии». T. I. М., ИЛ, 1963; II, 1964III, 1966; IV, 1966: V, 1968.

Литература по физическим методам исследований органических соединений