Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты – природные высокомолекулярные соединения, осуществляющие хранение, передачу и реализацию наследственной информации, обеспечивающей преемственность жизни в ряду поколений. Нуклеиновые кислоты представляют собой фосфорсодержащие биополимеры, которые отличаются неисчерпаемым разнообразием своих молекул. Мономерами нуклеиновых кислот служат нуклеотиды – соединения, в состав которых входят сахар (пентоза), фосфатная группа и азотсодержащее основание, связанные между собой ковалентными фосфодиэфирными связями, соединяющими пятый атом углерода пентозы одного нуклеотида с третьим атомом углерода пентозы соседнего нуклеотида.

Нуклеиновые кислоты были открыты в 1868 году швейцарским биохимиком И.Ф. Мишером в клетках, богатых ядерным материалом (в лейкоцитах и сперматозоидах лосося), в связи с чем и получили свое название (от лат. nucleus – ядро). Только в 1944 году было обнаружено, что очищенная ДНК одного бактериального штамма способна передавать свои свойства другому штамму. Однако этому открытию в то время биологи не придали большого значения, так как до 50-х годов считалось, что носителями наследственной информации служат белки. Лишь в начале второй половины XX века была доказана роль нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственной информации путем матричного биосинтеза белков.

В природе существуют два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). ДНК и РНК – это длинные линейные полимерные цепочки (тяжи), состоящие из множества мономеров – нуклеотидов, последовательно соединенных с помощью фосфодиэфирной связи. Эта связь образуется за счет гидроксильных групп, одна из которых принадлежит фосфорной кислоте, соединенной с пятым углеродным атомом пентозы одного нуклеотида, а другая – третьему углеродному атому пентозы другого нуклеотида. Цепи нуклеиновых кислот насчитывают от нескольких десятков до сотен миллионов нуклеотидов, поэтому молекулярная масса нуклеиновых кислот составляет 105– 1010.

Фрагмент молекулы РНК
Фрагмент молекулы РНК

Молекула ДНК представлена двумя разнонаправленными полинуклеотидными цепями, закрученными одна вокруг другой в виде двойной спирали. Молекула РНК имеет одну полинуклеотидную цепь.

В 1953 году американский биохимик Джеймс Дьюи Уотсон и английский физик Фрэнсис Харри Крик, расшифровав структуру ДНК, построили ее модель. Ученые показали, что диаметр спирально закрученной двойной нити ДНК равен 2 нм, а на один виток– шаг спирали – приходится 10 пар нуклеотидов, что по протяженности занимает 3,4 нм. Все азотистые основания находятся внутри спирали, а пентозы и остатки фосфорной кислоты – снаружи. Пентозы с остатками фосфорной кислоты называют сахарофосфатным остовом. Двойная спираль достаточно прочно поддерживается посредством многочисленных водородных связей и гидрофобного взаимодействия.

Модель молекулы ДНК (по Уотсону и Крику)

В 1962 году Дж. Уотсон, Ф. Крик и английский исследователь М. Уилкинс за раскрытие молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее значения в передаче генетической информации были удостоены Нобелевской премии.

С 1953 года роль ДНК как носителя наследственной информации, то есть как вещества генов, является основной биологической догмой в объяснении процессов жизни.

Нуклеотиды

Каждый нуклеотид содержит по одному остатку молекулы фосфорной кислоты и углевода (дезоксирибозу или рибозу), а также одно из четырех азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин и тимин (у ДНК), урацил (у РНК).

Химический состав нуклеотидов
Химический состав нуклеотидов: А – структурные формулы азотистых оснований, входящих в состав нуклеотидов; Б – схема строения нуклеотида

Азотистые основания, участвующие в образовании нуклеотидов и нуклеиновых кислот, относятся к группам пуриновых и пиримидиновых соединений. При этом пуриновые основания заметно крупнее пиримидиновых, поскольку состоят из двух гетероциклов. Тем не менее пуриновых оснований в ДНК ровно столько же, сколько и пиримидиновых. Это достигается тем, что в молекуле ДНК одно большое основание (А или Г) связывается с меньшим по размеру пиримидиновым основанием (Т или Ц), но входят они в ДНК в равных количествах. В одноцепочечной молекуле РНК пуриновых оснований обычно больше, чем пиримидиновых.

Состав нуклеиновых кислот
Состав нуклеиновых кислот

Название нуклеотида определяют по азотистому основанию и типу пентозы (например, гуаниловый дезоксирибонуклеотид, тимидиловый рибонуклеотид) .

Нуклеотиды выполняют много иных функций в клетке. Они запасают и переносят химическую энергию в составе молекул АТФ (аденин), ГТФ (гуанин), ЦТФ (цитозин); соединяются с другими биологически активными группами, образуя коферменты; участвуют во внутриклеточной передаче сигналов в качестве специфических сигнальных молекул. Однако их уникальное значение состоит именно в том, что они являются структурными компонентами молекул РНК и ДНК.

Структура ДНК

ДНК является наиболее высокомолекулярным органическим соединением из всех известных в природе. В клетках эукариот основная масса молекул ДНК находится в ядре в составе хромосом и имеет линейную форму. В прокариотических клетках единственная молекула ДНК имеет форму кольца. В виде небольших кольцевых молекул ДНК находится в некоторых органах клетки (митохондриях и пластидах). Будучи вытянутой в прямую линию, молекула ДНК может достигать 1–5 см.

Молекулы ДНК обычно построены по одному и тому же типу. Они состоят из двух полинуклеотидных цепей (нитей). Объединяются две цепи в единую полимерную молекулу ДНК водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями нуклеотидов. При этом аденин (А) соединяется только с тимином (Т), а гуанин (Г) – с цитозином (Ц). Данные нуклеотиды в молекуле ДНК всегда располагаются парами: друг против друга.

Основания ДНК, образующие комплементарные пары
Основания ДНК, образующие комплементарные пары

Способность к избирательному соединению нуклеотидов была названа правилом комплементарности или дополнительности, а соответствующие друг другу азотистые основания и нуклеотиды (А–Т и Г– Ц) – комплементарными.

Если известен порядок расположения нуклеотидов в одной цепи, то по принципу комплементарности сразу же становится ясным и порядок следования нуклеотидов в другой цепи. При этом следует учесть, что между А и Т замыкаются две водородные связи, а между Г и Ц – три, поэтому связь Г–Ц оказывается энергетически более прочной.

Антипараллельность молекул ДНК

Две цепи, участвующие в построении молекулы ДНК, всегда разнонаправлены, то есть имеют встречное расположение, так как З'-конец одной цепи соответствует 5'-концу другой цепи. Это обеспечивает антипараллельность цепей молекулы ДНК. Дело в том, что каждая пара нуклеотидов в каждой цепи связывается с последующей парой нуклеотидов посредством фосфорного остатка. При атом фосфорный остаток первой пары, связанный с третьим атомом углерода дезоксирибозы (3'-конец), соединяется с пятым атомом углерода дезоксирибозы второго нуклеотида (5'-конец). У второй цепи молекулы ДНК нуклеотид первой пары, наоборот, связан фосфорным остатком с пятым атомом углерода дезоксирибозы и третьим атомом углерода дезоксирибозы второго нуклеотида. Так же связываются все последующие пары нуклеотидов. В итоге у начала цепи всегда напротив нуклеотида с C3 дезоксирибозы (З'-конец) расположен нуклеотид с С5 дезоксирибозы (5'-конец).

Антипараллельная ориентация цепочек ДНК
Антипараллельная ориентация цепочек ДНК

Антипараллельное расположение нитей ДНК имеет большое значение при ее репликации, так как ферменты (ДНК-полимеразы) могут передвигаться вдоль матричных цепей только от 5'-конца к 3'-концу.

Открытие двухцепочечной структуры молекулы ДНК имеет огромное значение. Это позволило установить основные принципы осуществления передачи наследственной информации. Поскольку последовательность нуклеотидов каждой цепи комплементарна последовательности нуклеотидов второй цепи, они несут одну и ту же генетическую информацию. При этом одна из двух цепей молекулы ДНК служит шаблоном, или матрицей, для образования новой цепи, а та, в свою очередь, тоже может служить матрицей для образования новой комплементарной цепи. Таким образом, генетическая информация может копироваться при разделении цепей.