Нуклеиновые кислоты

Живые организмы обладают способностью вос­производить себе подобных. Явление передачи наследственной информации из поколения в поко­ление связано с нуклеиновыми кислотами.

О существовании нуклеиновых кислот известно уже свыше ста лет, однако только в последние де­сятилетия полностью определена огромная роль этих соединений. Впервые они были выделены швейцарским врачом Ф. Мишером (1868 г.) из ядер клеток и названы нуклеинами {от лат. nucleus — ядро). Позже было установлено, что нуклеины присутствуют также в митохондриях, рибосомах, цитоплазме. Ф. Мишер определил, что в состав нуклеина входят атомы углерода, водорода, кисло­рода, азота и фосфора. Только в 1889 г. Р. Альтман показал, что нуклеин имеет кислые свойства и предложил назвать эти соединения нуклеиновыми кислотами.

Нуклеиновые кислоты имеют более сложную структуру, чем белки. Это одни из наиболее круп­ных молекул, известных человеку, с молекуляр­ной массой в несколько десятков или сотен милли­онов. Именно в этих макромолекулах и содержит­ся информация, которая необходима клетке для образования всех белков, так как сходство и разли­чие организмов в конечном итоге определяются набором белков. Следовательно, нуклеиновые кис­лоты представляют генетический материал живых клеток, который передается из поколения в по­коление при их репродукции, благодаря чему по­томки способны синтезировать те же белки, что и их предки.

Выяснение структуры нуклеиновых кислот от­крыло новую эпоху в биологии, так как позволило понять, каким образом живые клетки, а следова­тельно, и организм точно воспроизводят себя и как в них кодируется информация, необходимая для ре­гулирования их жизнедеятельности.

Нуклеиновые кислоты — это высокомолекулярные соединения, состоящие из большого количества связанных между собой мононуклеотидов. Их можно рассматривать как полимеры нуклеотидов подобно полисахариду гликоге­ну — полимеру глюкозы.

Химический состав нуклеиновых кислот. При полном гидролизе нуклеиновых кислот образуется несколько простых низкомолекулярных ор­ганических веществ, таких как азотистые основания и углеводы, а также молекулы фосфорной кислоты.

Азотистые основания нуклеиновых кислот являются производными ге­тероциклического азотсодержащего соединения пурина (пуриновые осно­вания) или пиримидина (пиримидиновые основания). К пуриновым основани­ям относятся аденин (А) и гуанин (Г), а к пиримидиновым — цитозин (Ц), тимин (Т) и урацил (У). Их молекулы различаются наличием определенных функциональных групп: -NH2, -ОН, -СН3.

Из пяти азотистых оснований каждая нуклеиновая кислота включает только четыре — два пуриновых и два пиримидиновых.

Каждый мононуклеотид, кроме азотистого основания, включает остаток углевода (рибоза или дезоксирибоза) и фосфорную кислоту. В зависимости от углевода полинуклеотиды (нуклеиновые кислоты) называют рибонуклеиновыми - РНК или дезоксирибонуклеиновыми - ДНК.

Мононуклеотид РНК – аденозинмонофосфорная кислота имеет следующее строение:

[

Фосфорная кислота входит в состав всех нуклеиновых кислот в боль­шом количестве. Чаще всего она соединена с углеводным компонентом по гидроксильной группе при пятом углеродном атома рибозы или дезоксирибозы.

Нуклеозиды и нуклеотиды. При неполном гидролизе нуклеиновых кислот образуются нуклеозиды и молекулы фосфорной кислоты, а также нуклеотиды.

Нуклеозид — это соединение, в котором азотистое основание связано с углеводом — рибозой или дезоксирибозой. Их название образуется от названия азотистого основания (например, соединение аденина с рибозой — аденозин).

Структурной единицей нуклеиновых кислот является нуклеотид. Нук­леотиды состоят из трех компонентов: пуринового или пиримидинового основания, углевода рибозы или дезоксирибозы, которые соединены между собой и составляют нуклеозид, и остатка фосфорной кислоты, присоединенной к гидроксилу пятого атома углерода в молекуле углево­да. Примером нуклеотида может служить аденозинмонофосфорная кислота (аденозинмонофосфат), или адениловая кислота.

. Молекулы от­дельных нуклеиновых кислот могут включать от 70 до 5—50 тыс. нуклеотидов.

В зависимости от количества остатков фосфорной кислоты в нуклеотиде выделяют нуклеотидмонофосфаты, нуклеотиддифосфаты, нуклеотидтрифосфаты. Нуклеиновые кислоты состоят из нуклеотидмонофосфатов, но при их синтезе используются нуклеотидтрифосфаты.

2. Структура, свойства

и биологическая роль ДН К

Молекула ДНК имеет очень большую молекулярную массу — от нескольких миллионов до 2—5 миллиардов, так как состоит из 50 тысяч и более нуклеотидов.

В состав ДНК входят углевод дезоксирибоза и азотистые основания — аденин, гуанин, цитозин и тимин. Нуклеотиды соединяются между собой 3', 5'-фосфодиэфирными связями, образуя полинуклеотидную цепь. Моле­кулы ДНК — это двухцепочные структуры, которые несут в себе сразу два "текста", но заключенная в них информация одна и та же, поскольку каж­дому нуклеотиду в одной нити отвечает лишь один определенный нуклео-тид в другой, т.е. два текста однозначно соответствуют друг другу- В этом соответствии заключен принцип комплементарности. Это означает, что в строго упорядоченной двойной спирали пространственные возможности таковы, что против А может стоять только Т, а против Г — только Ц.

Нуклеотидный текст ДНК — это две комплементарные друг другу строчки. Каждая из них может считываться копирующим ферментом толь­ко в одном направлении. Если одна строчка читается слева направо, то другая — справа налево.

Нуклеотидный состав ДНК разных видов организмов может варьиро­вать в зависимости от сумм комплементарных азотистых оснований:

Каждый орг-м имеет характерную только для него молекулу ДНК с определенным количественным составом и последовательностью нуклеотидов, кото.рые в любых физиологических состояниях сохраняются. Нарушение их приводит к мутациям, вызывающим паталогические изменения в организме.

Структура ДНК. Нуклеотиды в полимерной цепи молекулы ДНК рас­полагаются в строго определенной последовательности, характерной для каждого вида организмов. Такое расположение нуклеотидов называется первичной структурой.

Вторичная структура молекулы ДНК, согласно модели американских биохимиков Уотсона и Крика, представляет собой двойную спираль. Схе­матически она напоминает винтовую лестницу, перила которой образова­ны основной цепью из углеводных и фосфатных групп, в то время как азо­тистые основания между двумя цепями образуют "ступени". Азотистое ос­нование одной полинуклеотидной цепи связано с основанием другой с помощью водородных связей таким образом, что две половинки ступеней образуют довольно прочное соединение. Последовательность азотистых оснований А-Т и Г-Ц одной цепи полностью комплементарна последова­тельности другой цепи. В такой структуре каждая пара оснований удалена друг от друга на 3,4 нм, что соответствует одному витку спирали из деся­ти нуклеотидов.

Третичная структура молекул ДНК на некоторых участках может под­вергаться дальнейшей пространственной укладке в суперспираль, приоб­ретая структуру в виде кольца. Третичная структура образуется благодаря белкам, которые входят в нуклеопротеидный комплекс хромосом. Супер­спиральная структура обеспечивает экономную упаковку огромной моле­кулы ДНК. Так, в хромосоме человека молекула ДНК настолько уплотнена, что ее длина укладывается в 5 нм, хотя истинная ее длина достигает при­мерно 8 см.

Свойства ДНК. Структура молекулы ДНК такова, что может раскручи­ваться за счет разрыва водородных связей и самоудваиваться. Процесс самовоспроизведения молекулы ДНК называется репликацией (рис. 82). Он обеспечивает точное воспроизведение генетической информации в виде синтезирующейся комплементарной цепи ДНК и передачу этой ин­формации следующему поколению в процессе деления клетки. При этом отдельные нуклеотидные цепи ДНК расходятся полностью или только на отдельных ее участках, а на них, как на матрице, происходит синтез ком­плементарной цепи новой молекулы ДНК.

Для процесса репликации ДНК в клетках, кроме наличия ДНК-матри­цы, необходимы структурные ее компоненты: дезоксинуклеотидтрифосфа-ты (АТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ и др.), а также специфические ферменты репли-кационной системы, которые называются ДНК-полимеразами.

Биологические свойства ДНК зависят не только от нуклеотидного состава, но и от специфической последовательности нуклеотидов в по­линуклеотидной цепи ДНК, что определяет структуру генома, т. е. все количество ДНК в клетке, несущее генетическую информацию об орга­низме.

Биологическая роль ДНК. Все признаки организма проявляются че­рез свойства синтезирующихся в нем белков. Состав и структура каждого белка закодированы в отдельных участках молекулы ДНК, которые называ­ются генами. Таким образом, основная функция ДНК — хранение и пере­дача наследственной или генетической информации.

Ген — это участок ДНК, на котором закодирована аминокислотная пос­ледовательность, характерная для каждого конкретного белка. Ген являет­ся функциональной единицей наследственности и определяет тот или иной признак организма, поэтому информация, содержащаяся в ДНК, на­зывается генетической. Установлено, что не все количество ДНК связано с хранением генетической информации. У высших организмов только не­значительная часть ДНК (около 2 %) является носителем генетической информации, а большая ее часть выполняет различные регуляторные функ­ции. Количество ДНК, которое несет генетическую информацию данного организма, называют геномом.

Передача генетической информации в ходе синтеза белка осущес­твляется генетическим кодом. Место включения каждой аминокислоты в молекуле синтезирующегося белка закодировано в виде определенной последовательности нуклеотидов в ДНК.

Генетический код — это определенная последовательность азотистых ос­нований нуклеотидов данного гена, соответствующая последовательности аминокислот в белке. Каждая аминокислота кодируется тремя азотистыми основаниями, расположенными в определенной последовательности — трип­летом, который называется кодовом. Большинство аминокислот, кроме ме-тионина и триптофана, может кодироваться несколькими кодонами. Кодоны 20 аминокислот представлены в табл. 17. Указанные кодоны различаются только третьим азотистым основанием. Например, кодирование аминокис­лоты аланина осуществляется четырьмя триплетами нуклеотидов — ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ. Главную роль при узнавании аминокислоты играют первые два основания. Не все кодоны кодируют аминокислоты. Некоторые из них служат "стартовыми" сигналами, запускающими синтез полипептидной цепи белка, как, например, АУГ — кодон метионина. Другие кодоны, например УАА, УАГ и УГА, выполняют функцию прекращения синтеза белка (кодоны терминации).

В молекуле ДНК присутствуют также коды, участвующие в запуске процесса репликации ДНК, синтеза РНК, связывания с молекулами — ре­гуляторами этих процессов. Генетический код универсален для всех живых организмов, так как каждая из 20 аминокислот у них кодируется одним и тем же триплетом нуклеотидов.

При нарушении последовательности нуклеотидов в структуре гена по­являются ошибки в синтезе соответствующего белка, что ведет к наруше­нию его функции в организме (мутационные изменения). Так, мутационные изменения в молекуле гемоглобина, вызванные заменой всего двух из почти шестисот аминокислот, приводят к заболеванию - серповидной анемии. Такая молекула гемоглобина теряет растворимость, в результате чего образуется волокнистый осадок, который деформирует эритроцит и придает ему форму серпа. Серповидные эритроциты быстро разрушают­ся, что приводит к хронической гемолитической анемии.

Количественное содержание и локализация ДНК в клетке зависят от ее функций. Наибольшее ее количество сосредоточено в сперматозоидах — до 60 % сухой массы, в других клетках организма — около 1—10 %, в мыш­цах — до 0,2 %.

В клетке ДНК сосредоточена преимущественно в ядре (до 30 % сухой массы), где связана с белками и хромосомами. Незначительное количес­тво ДНК (до 1—3 %) локализовано в митохондриях. Эти ДНК отличаются от ядерной ДНК составом и молекулярной массой. Митохондриальная ДНК не связана с белками, содержит до 15 генов, обусловливающих цитоплазматическую наследственность. В ней кодируются некоторые типы митохондриальных РНК и полипептидов.

Структура, свойства и биологическая роль РНК

Рибонуклеиновые кислоты представляют собой полинуклеотидные цепи, в которые входит около 6 тысяч нуклеотидов. Они имеют небольшую мо­лекулярную массу (до двух миллионов). Углеводным компонентом РНК является рибоза. Из азотистых оснований в состав РНК входят аденин, гуанин, цитозин, урацил. РНК человека, в отличие от ДНК, состоит из од­ной полинуклеотидной цепи с отдельными спирализованными участками. Двухцепочечные молекулы РНК встречаются только у некото­рых вирусов.

Первичную структуру РНК, как и ДНК, составляет определенная после­довательность чередования нуклеотидов в полинуклеотидной цепи. Связь между ними осуществляется через остаток фосфорной кислоты. Разные виды РНК отличаются составом нуклеотидов, их количеством и последовательностью расположения.

Вторичная структура РНК зависит от вида РНК и функционального сос­тояния клетки. Молекулы РНК могут располагаться более компактно, по­скольку взаимодействие между основаниями приводит к образованию до­полнительных складок, что определяет третичную структуру РНК. Согласно модели, предложенной Холли, вторичная структура транспортной РНК напо­минает клеверный лист.

В клетке всегда присутствуют три вида РНК, которые различаются ло­кализацией, молекулярной массой, нуклеотидным составом, структурой и биологическими функциями. К ним относятся транспортная, информаци­онная и рибосомальная РНК.

Транспортная РНК (тРНК) составляет 10—20% всей РНК клетки, сос­тоит из 75—90 нуклеотидов и имеет молекулярную массу от 23 до 30 ты­сяч. Находится она в цитоплазме клеток и осуществляет перенос амино­кислот к рибосомам, где происходит синтез белка. В клетке обнаружено около 60 различных тРНК. Каждой из 20 аминокислот соответствует нес­колько разных тРНК.

Молекула тРНК благодаря уникальному строению (в виде клеверного листка) взаимодействует не только с аминокислотами, но и с белками-ферментами, а также с иРНК на рибосомах. На одном конце молекулы тРНК находится одинаковый для всей тРНК триплет ЦЦА-ОН, по ко­торому присоединяются аминокислоты, а на противоположном конце рас­положен участок антикодон, комплементарный триплету (кодону) в моле­куле иРНК. С помощью антикодона тРНК "узнает" свое место присоедине­ния аминокислоты к синтезирующемуся белку.

Информационная, или матричная РНК (иРНК или мРНК) составляет 3— 5 % всей клеточной РНК. Молекула иРНК содержит до 6000 остатков нуклеотидов и имеет молекулярную массу от 500 тысяч до 2 миллионов. Она очень быстро синтезируется (1 молекула за 25 с) и распадается (в тече­ние 3—5 мин).

Синтезируется иРНК на участке молекулы ДНК — гене как на матри­це и переносит генетическую информацию о последовательности аминокислот в белках от молекул ДНК из ядра к местам их синтеза — в ри­босомы.

В клетке находятся разнообразные формы иРНК, которые осущест­вляют синтез тысяч различных белков, строение которых закодировано в специфической структуре иРНК.

Рибосомальная, или структурная РНК (рРНК, сРНК) составляет до 80 % всей клеточной РНК и имеет молекулярную массу 0,5—2 миллиона. Она на­ходится в рибосомах, где происходит синтез белка, и в соединении с со­ответствующими белками образует структуру рибосом, а также активиру­ет процесс синтеза белка.

В клетке РНК содержится в 5—10 раз больше, чем ДНК. Обнаружены РНК почти во всех клеточных структурах. Наибольшее их количество (60— 80 %) сосредоточено в рибосомах, наименьшее — в цитоплазме.