Глава 2. Нуклеиновые кислоты

Еще в XIX в. было показано, что клетки содержат значительно различающиеся по молекулярным массам полимерные кислоты, строение которых удалось установить только в конце 1940-х гг. Высокомолекулярные фракции этих биополимеров были собраны в ядрах (nucleus) клеток, и поэтому они получили общее название нуклеиновые кислоты. При гидролизе высокомолекулярные нуклеиновые кислоты разлагались на производные пиримидина – тимин и цитозин, на производные пурина – аденин и гуанин, а также на дезоксирибозу и фосфорную кислоту; по сахаридной компоненте их называли дезоксирибонуклеиновыми кислотами  (ДНК):

При гидролизе нуклеиновых кислот меньшей молекулярной массы получали урацил, цитозин, аденин, гуанин, рибозу и фосфорную кислоту; их стали называть рибонуклеиновыми кислотами  (РНК):

Наряду с этими структурными элементами в продуктах гидролиза нуклеиновых кислот содержались также состоявшие из этих же молекул продукты неполного гидролиза более сложного строения, среди которых были построенные по принципу N‑гликозидов продукты конденсации гетероциклов и рибозы или дезоксирибозы – нуклеозиды,а также продукты фосфорилирования нуклеозидов по 5¢-положению – нуклеотиды  – и по 3¢‑положению рибозидного или, соответственно, дезоксирибозидного фрагмента, например:

          

Исходя из этого можно было сделать вывод о том, что нуклеиновые кислоты представляют собой линейные продукты поликонденсации нуклеотидов, в которых к полимерной цепочке из чередующихся фрагментов рибозы (или дезоксирибозы) и фосфорной кислоты присоединены гетероциклические основания:

Урацил, тимин и цитозин относятся к производным гетероциклического соединения пиримидина, а аденин и гуанин – это производные пурина. В метаболических процессах (но не в построении нуклеиновых кислот) участвуют также 6-гидроксипурин (гипоксантин) и 2,6-дигидроксипурин (ксантин), а 1,3,7-триметил-ксантин – это кофеин.

 Гипоксантин                  Ксантин

Одним из продуктов метаболического превращения пуриновых оснований является мочевая кислота  – 2,6,8-тригидроксипурин. Это вещество плохо растворимо в воде и его отложение в тканях тела и в суставах является причиной болезни, известной под названием подагра.

Для всех оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот, характерна так называемая лактам - лактимная таутомерия. Так, например, на цитозине это выражается равновесием:

В лактимных формах возможны реакции гидролитического дезаминирования, в результате которых, например, цитозин может превращаться в урацил, а гуанин – в ксантин:

Если в клетке есть эти гетероциклические основания, то биосинтез нуклеотидов идет следующим образом: 5¢-фосфат дезоксирибозы (или 5¢-фосфат рибозы) фосфорилируется аденозинтрифосфатом по аномерной гидроксильной группе с образованием соответствующего 1¢-пирофосфата. Например, для пирофосфата 5¢‑фосфо-a‑рибозы:

Затем пирофосфатное производное пентозы реагирует с азотистым основанием с образованием соответствующего b‑фосфорибозида и с выделением пирофосфата, который при этом гидролизуется на две молекулы фосфорной кислоты (чтобы реакция стала необратимой).

Так образуются аденозинмонофосфат (AMФ), гуанозинмонофосфат (ГМФ, на представленной выше схеме представлен его биосинтез) и другие нуклеотиды (в латинской транскрипции CMP, UMP, АМР, GМР, dAMP, dGMP, dCMP и TMP).

Из представленной схемы следует, что роль азотистых оснований не сводится только к участию в образовании ДНК и РНК. В виде рибозидов они участвуют в образовании основного носителя свободной химической энергии аденозинтрифосфата (АТФ, АТР), его аналога гуанозинтрифосфата (ГТФ, GTP), некоторых участвующих в метаболизме веществ, относящихся к коферментам, и других биомолекул.

По аналогичной схеме с участием АТФ идет и поликонденсация нуклеотидов с образованием ДНК или РНК. ДНК представляет собой вещество, несущее наследственную информацию. В этих биополимерах записана вся программа построения многих вирусов, прокариотических клеток (у многих из них молекула ДНК – плазмида – имеет кольцевую структуру), эукариотических клеток и многоклеточных организмов. Собранные в клеточном ядре эукариотической клетки молекулы ДНК включают генные участки. Ген – это часть гигантской молекулы ДНК, содержащая информацию о последовательности аминокислот, составляющих одну белковую молекулу. В эукариотических клетках в ходе их деления различаются компактные образования из различных белков и молекул ДНК, называемые хромосомами  (от греч. chroma и soma – окрашиваемые тельца). Из всех содержащихся в клетках соединений только хромосомы подходили на роль носителей наследственности, и именно содержащиеся в них молекулы ДНК лучше всего соответствовали этой роли. Это было показано в различных экспериментах. Одно из таких доказательств роли ДНК было получено в опытах на пневмококках. Мутантный невирулентный штамм этого микроорганизма можно было снова сделать вирулентным, добавив в среду, на которой он развивается, ДНК из вирулентного штамма. Для полного исключения возможного участия в этом белков, от которых ДНК на том этапе исследований не удавалось очистить полностью, выделенную из вирулентных штаммов ДНК обрабатывали дезоксирибонуклеазой, гидролизующей только ДНК; после этого продукт гидролиза терял способность переносить свойство вирулентности.

Синтез белка идет в цитозоле на рибосомах, представляющих собой комплекс белков и рибосомальных рибонуклеиновых кислот (рРНК), а собранная в ядре эукариотических клеток ДНК передает информацию об аминокислотной последовательности белка с помощью еще одной РНК – матричной (мРНК), синтезируемой на основе кодирующей цепи генного участка ДНК. Взаимоотношения ДНК–РНК–белок строятся по схеме:

Основа полимерной цепи ДНК представлена чередующимися молекулами фосфорной кислоты и дезоксирибозы, аномерные гидроксильные группы которой замещены на остатки тимина, цитозина, аденина и гуанина. Эти фрагменты нуклеотидов и определяют пространственную организацию ДНК, образуя знаменитую двойную спираль из двух цепей ДНК за счет реализации водородных связей в парах аденин–тимин и цитозин–гуанин (одноядерный и двухядерный гетероцикл):

   

Цепи ДНК в паре антипараллельны, одну из них называют кодирующей  (на ней идет синтез РНК), а другую комплементарной (по ней проверяются ошибки, нарушения структуры ДНК). Кодирование аминокислотной последовательности в белке осуществляется тройками из нуклеотидных фрагментов. Здесь простая арифметика: пара из четырех оснований даст только 16 различных сочетаний, а белковых аминокислот – 20. Число возможных комбинаций из четырех оснований по три равно 64. Из этого следует, что многие аминокислоты кодируются не одним, а несколькими триплетами (вырожденность генетического кода). Кодирующие аминокислоты тройки оснований называют кодонами, и лишь три кодона не относятся ни к одной аминокислоте. Их обычно называют бессмысленными, но на самом деле у них есть смысл – они обозначают конец гена, завершение информации о белковой цепи на этом участке ДНК. Молекула РНК подобна комплементарной цепи ДНК, но вместо тиминового фрагмента у нее стоит урацильный:

Можно представить себе, что есть рамка считывания информации с молекулы ДНК, в которую входят три нуклеотидных участка. Смещения рамки из-за выпадения одного нуклеотидного фрагмента (делеции) или добавления лишнего (вставки) приведут к транскрипции с образованием мРНК, трансляция с которой даст совсем другую аминокислотную последовательность, причем синтезируемый с этим сбоем белок может оказаться достаточно большим, поскольку из 64 вариантов кодонов только три останавливают биосинтез белка.

На самом деле процесс считывания информации с ДНК гораздо сложнее. Последовательность кодирующих белок участков ДНК в гене (экзоны) прерывается участками, которые не несут информации о белке – это так называемые интроны. При транскрипции сначала считывается вся последовательность экзонов и интронов с образованием первичного транскрипта РНК, из которого затем вырезаются участки, соответствующие интронам, а экзонные участки соединяются в одну цепь – идет процесс образования зрелой мРНК (сплайсинг). Понятно, что начало и конец интронов обозначены определенным сочетанием оснований: во всяком случае, все они начинаются с GU и кончаются AG [сплайсинг осуществляет аналог рибосомальной РНК – мяРНК (малая ядерная РНК)]. Биологическая роль интронов состоит, очевидно, в облегчении эволюции живого за счет ошибок в ходе сплайсинга с перетасовкой готовых блоков из РНК.

Как отмечалось во Введении, именно РНК претендует сейчас на роль молекулы, с которой начиналось зарождение жизни. Одним из веских подтверждений этому является возможность самополимеризации фрагментов РНК с образованием более длинных цепей, сворачивающихся в компактные структуры с небольшими спиральными участками, которые аналогичны двойным спиралям ДНК. Кроме матричной и рибосомальной РНК, клетки содержат значительное количество других РНК с меньшей молекулярной массой, например, транспортные РНК (тРНК), которые при синтезе белка переносят аминокислоты к рибосомам, а также РНК с каталитической активностью (рибозимы). Интересно, что в составе этих «дополнительных» РНК есть гетероциклические структурные элементы, отличные от входящих в состав ДНК и мРНК, например, инозин, 1-метилгуанозин и псевдоуридин: