Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты составляют 1-5% сухой массы клетки и представлены моно- и полинуклеотидами. Мононуклеотид состоит из одного пуринового (аденин – А, гуанин – Г) или пиримидинового (цитозин – Ц, тимин – Т, урацил – У) азотистого основания, пятиуглеродного сахара (рибоза или дексирибоза) и 1–3 остатков фосфорной кислоты.

Название нуклеотидов определяется видом основания и пентозы, входящих в их состав (адениловый рибонуклеотид, тимидиловый дезоксирибонуклеотид). В зависимости от числа фосфатных групп различают моно-, ди- и трифосфаты нуклеидов, например аденозинмонофосфат – АМФ, гуанозиндифосфат – ГДФ, уридинтрифосфат – УТФ, тимидинтрифосфат – ТТФ и т.д.

Мононуклеотиды выполняют в клетке исключительно важные функции. Они выступают в качестве источников энергии, причем АТФ является универсальным соединением, энергия которого используется почти во всех внутриклеточных реакциях, энергия ГТФ необходима в белоксинтезирующей деятельности рибосом. Производные нуклеотидов служат также переносчиками некоторых химических групп, например НАД (никотинамиддинуклеотид) – переносчик атомов водорода.

Однако наиболее важная роль нуклеотидов состоит в том, что ни служат строительными блоками для сборки полинуклеотидов: РНК и ДНК (рибонуклеиновых и дезоксирибонуклеиновых кислот).

РНК и ДНК – это линейные полимеры, содержащие от 70–80 до 109 мононуклеотидов, которые соединяются ковалентными фосфодиэфирными связями, возникающими между гидроксильной группой пентозы одного нуклеотида и фосфатной группой следующего нуклеотида. Образующиеся полинуклеотидные цепи представляют собой сахарофосфатный остов, на котором "сидит" четыре вида азотистых оснований. Полинуклеотидные цепи ДНК и РНК отличаются друг от друга размерами, видом сахара и пиримидиновых оснований в составе нуклеотидов.

Нуклеотид РНК содержит пятиуглеродный сахар – рибозу, одно из четырех азотистых оснований (аденин, гуанин, урацил или цитозин) и остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды, входящие в состав ДНК, содержат пятиуглеродный сахар – дезоксирибозу, одно из четырех азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин или цитозин) и остаток фосфорной кислоты.

Данные рентгеноструктурного анализа показали, что молекулы ДНК большинства живых организмов, за исключением некоторых фагов, состоят из двух полинуклеотидных цепей, антипараллельно направленных и ориентированных таким образом, что их сахарофосфатные остовы оказываются снаружи, а азотистые основания – внутри. Основания располагаются парами друг против друга и соединяются водородными связями. Спаривание происходит только между комплементарными (подходящими друг другу) основаниями: одним пуриновым и одним пиримидиновым. Пара А – Т соединяется двумя, а Г – Ц – тремя водородными связями. Молекула ДНК имеет форму двойной спирали, в которой полинуклеотидные цепи закручены вокруг воображаемой центральной оси. Спираль ДНК характеризуется рядом параметров. Ширина спирали около 2 нм. Шаг или полный оборот спирали составляет 3,4 нм и содержит 10 пар комплементарных нуклеотидов (рис.2.2).

Рис. 2.2. Структура ДНК

ДНК обладает уникальными свойствами: способностью к самоудвоению (репликации) и способностью к самовосстановлению (репарации).

Репликация осуществляется под контролем ряда ферментов и протекает в несколько этапов. Она начинается в определенных точках молекулы ДНК. Специальные ферменты разрывают водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями, и спираль раскручивается. Полинуклеотидные цепи материнской молекулы удерживаются в раскрученном состоянии и служат матрицами для синтеза новых цепей.

С помощью фермента ДНК-полимеразы из имеющихся в среде трифосфатов дезоксирибонуклеотидов (дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ) комплементарно материнским цепям собираются дочерние цепи. Репликация осуществляется одновременно на обеих материнских цепях, но с разной скоростью и с некоторыми отличиями. На одной из цепей (лидирующей) сборка дочерней цепи идет непрерывно, на другой (отстающей) – фрагментарно. В последующем синтезированные фрагменты сшиваются с помощью фермента ДНКлигазы. В результате из одной молекулы ДНК образуется две, каждая из которых имеет материнскую и дочернюю цепи. Синтезированные молекулы являются точными копиями друг друга и исходной молекулы ДНК. Такой способ репликации называется полуконсервативным и обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была записана в материнской молекуле (рис 2.3).

Рис. 2.3. Репликация ДНК
Водородные связи, соединяющие комплементарные основания двойной спирали ДНК, последовательно разрушаются. Каждая из старых цепей служит матрицей для образования новой цепи: при помощи ДНК-полимеразы дезоксирибонуклеозидтрифосфаты выстраиваются с комплементарными азотистыми основаниями против старой цепи и соединяются друг с другом ковалентными связями (между дезоксирибозой одного нуклеотида и фосфорной кислотой соседнего – фосфодиэфирная связь)

Репарацией называют способность молекулы ДНК «исправлять» возникающие в ее цепях изменения. В восстановлении исходной структуры ДНК участвует не менее 20 белков: узнающих измененные участки ДНК и удаляющих их из цепи, восстанавливающих правильную последовательность нуклеотидов и сшивающих восстановленный фрагмент с остальной молекулой ДНК.

Перечисленные особенности химической структуры и свойств ДНК обусловливают выполняемые ею функции. ДНК записывает, хранит, воспроизводит генетическую информацию, участвует в процессах ее реализации между новыми поколениями клеток и организмов.

Рибонуклеиновые кислоты – РНК – представлены разнообразными по размерам, структуре и выполняемым функциям молекулами (рис.2.4). Все молекулы РНК являются копиями определенных участков молекулы ДНК и, помимо уже указанных отличий, оказываются короче ее и состоят из одной цепи. Между дельными комплементарными друг другу участками одной цепи РНК возможно спаривание оснований (А с У, Г с Ц) и образование спиральных участков. В результате молекулы приобретают специфическую конформацию.

Рис. 2.4. Структура РНК

Матричная, или информационная, РНК (мРНК, иРНК) синтезируется в ядре под контролем фермента РНК-полимеразы комплементарно информативным последовательностям ДНК, переносит эту информацию на рибосомы, где становится матрицей для синтеза белковой молекулы. В зависимости от объема копируемой информации молекула мРНК может иметь различную длину и составляет около 5% всей клеточной РНК.

Рибосомная РНК (рРНК) синтезируется в основном в ядрышке, в области генов рРНК и представлена разнообразными по молекулярной массе молекулами, входящими в состав большой и малой субчастиц рибосом. На долю рРНК приходится 85% всей РНК клетки.

Транспортная РНК (тРНК) составляет около 10% клеточной РНК. Существует более 40 видов тРНК. При реализации генетической информации каждая тРНК присоединяет определенную аминокислоту и транспортирует ее к месту сборки полипептида. У эукариот тРНК состоят из 70–90 нуклеотидов и имеют структуру в виде «клеверного листа» (рис. 2.4). Петля 1 обеспечивает контакт с рибосомой, петля 3 – с ферментами, петля 2 несет антикодон; к акцепторному концу прикрепляется аминокислота.