4. Нуклеиновые кислоты

4.1. Общая характеристика нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus — ядро) — важнейшие органические соединения. Впервые были выделены швейцарским исследователем Ф. Мишером в 1869 г. из ядер лейкоцитов путем экстрагирования щелочью и осаждения кислотой. Нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК — содержатся в ядре в виде нуклеопротеидов. ДНП — дезоксирибонуклеопротеид — это хроматин ядра, т. е. хромосома представляет собой ДНП-дезоксирибонуклеиновую кислоту, связанную с основными белками (гистоны).

Функция ДНК — хранить и передавать наследственную инфор­мацию. Указанная роль ДНК была установлена в результате работ Д. Е. Гриффиса (1928), который определил явление бактериаль­ной трансформации. В опытах Гриффиса было показано, что бескапсульные пневмококки (R-формы) приобретают вирулент­ность, если их смешать с убитыми нагреванием вирулентными (S-формы) пневмококками. В дальнейшем исследованиями О. Эвери, М. Карта и Мак-Леод (1944) было установлено, что приобретение вирулентных свойств R-формами пневмококков обусловлено ДНК из S-форм пневмококков, т. е. ДНК из убитых нагреванием клеток является носителем генетической информа­ции. Исследованиями Э. Чаргаффа был определен нуклеотидный состав ДНК, в опытах А. Херши и М. Чейза на бактериофагах ус­тановлено, что при заражении бактериальных клеток фагами в бактериальную клетку проходит только ДНК, а белковая оболочка фага остается вне клетки. На основании имевшихся к тому време­ни накопленных научных данных в 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик сформулировали теорию о структуре молекулы ДНК, о том, что ДНК представляет собой полимер из нуклеотидов в виде двойной спирали и является носителем генетической информации. Даль­нейшие исследования полностью подтвердили правильность этой теории. Было доказано, что нуклеиновые кислоты — это важ­нейший компонент всех живых организмов, всех живых клеток. С участием нуклеиновых кислот происходит образование белков, служащих материальной основой всех жизненных процессов. Ин­формация, определяющая особенности структуры белков, «запи­сана» в ДНК и передается в ряду поколений молекулами ДНК.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК) участвуют в процессе реали­зации наследственной информации — в биосинтезе белков. Разли­чают несколько видов РНК — информационную, рибосомальную и транспортную. Кроме того, рибонуклеиновые кислоты выпол­няют роль носителя генетической информации у РНК-содержащих вирусов.

В последние годы установлено, что рибонуклеиновые кислоты обладают ферментативными свойствами, такие РНК называют рибозимами.

Нуклеиновые кислоты представляют собой полимеры, постро­енные из мономеров-нуклеотидов. Следует подчеркнуть, что нуклеотиды играют важную роль в обмене веществ самостоятельно, а также в составе ферментов (коферменты), аккумуляторов энергии [аденозинтрифосфат (АТФ), гуанозинтрифосфат (ГТФ)], регуля­торов обмена веществ (циклические нуклеотиды).

4.2. Нуклеотиды и нуклеозиды

Нуклеотиды — это компоненты нуклеиновых кислот. ДНК и РНК - это полимеры, построенные из мононуклеотидов. Нуклеотиды присутствуют во всех клетках, выполняя ряд жизненно важ­ных функций:

ДНК построена из дезоксирибонуклеотидов, является хранителем наследственной информации, принимает участие в реализации этой информации — в биосинтезе белка;

РНК построена из рибонуклеотидов, участвует в синтезе белка, является носителем генетической информации у РНК-содержащих вирусов;

пуриновые рибонуклеотиды выполняют функции универсаль­ных источников энергии (АТФ);

выполняют роль регуляторных сигналов — вторичных перенос­чиков (мессенджеров) — цАМФ, цГМФ, аллостерических регуляторов;

входят в состав коферментов: флавинадениндинуклеотид (ФАД), флавинмононуклеотид (ФМН), никотинамидадениндинуклеотид (НАД), никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ); служат переносчиком метальных групп (S-аденозинметионин). Пиримидиновые нуклеотиды функционируют в качестве мнкроэргических посредников в углеводном обмене [уридинди- фосфатглюкоза (УДФ-глюкоза), уридиндифосфатгалактоза (УДФ- галактоза)], в синтезе липидов цитидиндифосфатацилглицерол ЦДФ- ацилглицерол).

Нуклеотид состоит из трех компонентов — азотистого основания, углевода и остатка фосфорной кислоты.

Азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот, являются производными ароматических гетероциклических соеди­нений — пурина и пиримидина. Производные пурина — аденин (А) и гуанин (Г), а производные пиримидина — цитозин (Ц), урацил (V), гимин (Т). В состав ДНК входят аденин, гуанин, цитозин, тимин; в РНК вместо тимина присутствует урацил (рис. 4.1).

Углеводным компонентом нуклеотидов являются β-D-рибофураноза (рибоза) и β-2'-дезокси-D-рибофураноза (дезоксирибоза) (рис. 4.2). Углеродные атомы пентозы нумеруют цифрами со зна­ком «штрих» для того, чтобы можно было отличить их от атомов азотистого основания (например, 5-й углеродный атом обозначают С-5' или 5'). У 2-го углеродного атома гидроксильная группа — ОНурибозы в дезоксирибонуклеотидах представлена атомом во­дорода —Н. Полагают, что благодаря отсутствию атома кислорода v 2-го атома углерода дезоксирибозы укладка молекулы ДНК ста­новится более компактной, а связь между 2-м и 3-м атомами угле­рода рибозы —более прочной, что в целом увеличивает стабиль-

Нуклеозиды образуются в результате установления N-гликозидной связи между 9-м атомом азота у пуринов или 1-м атомом мнна у пиримидинов с 1-м атомом углерода у пентозы: рибозы или 2'-дезоксирибозы (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Образование N-гликозидной связи между азотистым основанием и углевод­ным компонентом

Фосфорные эфиры нуклеозидов называются нуклеотидами (рис. 4.5).

Названия нуклеотидов и нуклеозидов, а также сокращенные обозначения нуклеозидмонофосфатов, нуклеозиддифосфатов и пуклеозидтрифосфатов представлены в таблице 4.1. Состав нукле­иновых кислот приведен в таблице 4.2.

Если к аденозину присоединяется остаток фосфорной кислоты в 5'-положении, то образуется 5'-адениловая кислота, или аденозин-5'-монофосфат; если в З'-положении — то З'-адениловая кис­лота, или аденозин-З'-монофосфат. К нуклеозидмонофосфату мо­гут присоединяться посредством фосфоангидридной связи еще один или два остатка фосфорной кислоты. При этом образуются нуклеозидцифосфаты и нуклеозидтрифосфаты.