Почему любые изменения в строении нуклеиновых кислот влекут за собой изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них?
История открытия и изучения нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты выполняют функции хранения и передачи наследственной информации. Вот почему они играют чрезвычайно важную роль во веем живом мире. Нуклеиновые кислоты представляют собой генетический материал всех живых организмов. Это сложные соединения, молекулы которых крупнее большинства белков и содержат атомы углерода, кислорода, водорода, азота и фосфора.
Впервые нуклеиновые кислоты выделил из ядер клеток швейцарский биохимик Ф. Мишер в 1862 г. Название «нуклеиновые кислоты» объясняется тем, что они обладают кислотными свойствами и, как тогда полагали, содержатся только в ядре клетки (от лат. nucleus – ядро). Впоследствии они были обнаружены во всех клетках живых организмов и даже у неклеточных форм жизни – вирусов.
В течение нескольких десятилетий после открытия Ф. Мишера ученые разных стран интенсивно изучали особенности строения и свойства нуклеиновых кислот. Спустя много лет, в 1944 г., американский микробиолог О. Эйвери установил, что нуклеиновые кислоты отвечают за хранение и передачу наследственной информации. Оказалось, что в природе существуют нуклеиновые кислоты двух типов – ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота).
Нуклеиновые кислоты представляют собой линейные нерегулярные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.
Данные рентгенограммы ДНК убедительно свидетельствовали в пользу ее спиральной структуры. Изучение химического состава и структуры ДНК позволило американскому биохимику Э. Чаргаффу в 1950 г. определить, что в ДНК присутствуют только четыре вида азотистых оснований: аденин, гуанин, тимин, цитозин. Он сформулировал закономерность, согласно которой количество пар оснований «аденин – гуанин» в ДНК равно количеству пар оснований «цитозин – тимин».
Обобщив все данные, накопленные в науке, американский биохимик Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик в 1953 г. расшифровали структуру ДНК, создав ее пространственную модель.
Модель Дж. Уотсона и Ф. Крика показала, что ДНК – это носитель закодированной наследственной информации, и она способна точно ее воспроизводить. За свое открытие Дж. Уотсон и Ф. Крик были удостоены в 1962 г. Нобелевской премии.
Таким образом, 1953 год стал считаться годом рождения новой науки – молекулярной биологии, исследующей проявление жизни на молекулярном уровне: строение и функции нуклеиновых кислот и белков, механизмы хранения, передачи и реализации наследственной информации.
Молекулярная биология тесно связана с биохимией, биофизикой, генетикой и микробиологией. Эта сравнительно молодая наука в настоящее время интенсивно развивается.
Строение и функции ДНК. Молекула ДНК характеризуется крупными размерами и большой молекулярной массой. Она представляет собой две цепи. Эти цепи закручены вправо вокруг общей воображаемой оси и образуют двойную спираль. Мономерами молекул ДНК являются нуклеотиды, поэтому можно считать, что каждая цепь – это полинуклеотид.
Каждый нуклеотид ДНК состоит из азотистого основания, углевода дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты (рис. 2).
Рис. 2. Строение ДНК
Существуют четыре типа нуклеотидов ДНК, различающихся азотистыми основаниями. Каждый нуклеотид может содержать лишь одно азотистое основание: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т).
Соединение нуклеотидов в полимерную цепь происходит благодаря образованию прочной ковалентной связи между дезоксирибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого, что придает стабильность всей полинуклеотидной цепи (см. рис. 2).
Две полинуклеотидные цепи соединяются между собой по принципу комплементарности. Комплементарность означает взаимное химическое и геометрическое соответствие, обеспечивающее связь дополняющих друг друга структур. Комплементарными парами в молекуле ДНК являются нуклеотиды, содержащие аденин (А) – тимин (Т); гуанин (Г) – цитозин (Ц). Между комплементарными азотистыми основаниями, находящимися в разных цепях ДНК, возникают водородные связи: в паре А–Т – две связи, в паре Г–Ц – три связи.
ДНК в комплексе с белками образует хроматин. Перед началом деления клетки цепи хроматина в ядрах клеток, многократно свернувшись в суперспирали, формируются в видимые под световым микроскопом структуры – хромосомы. Вследствие этого изначальная длина ДНК, достигающая нескольких десятков сантиметров, уменьшается до нескольких микрометров (см. рис. 2).
В интерфазе перед делением клетки происходит репликация (самоудвоение) ДНК. Сущность процесса репликации заключается в том, что под влиянием специальных ферментов водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями разрываются, и двойная полинуклеотидная спираль ДНК начинает раскручиваться с одного конца, и на каждой цепи синтезируется новая цепь. Другими словами, на матрице (образец, по которому формируется копия) каждой из освободившейся полинуклеотидной цепи ДНК собирается новая цепь из свободных нуклеотидов, находящихся в окружающей ее среде, по принципу комплементарности (рис. 3).
Рис. 3. Схема репликации молекулы ДНК
В каждой образовавшейся дочерней молекуле ДНК одна цепь материнская, другая – вновь синтезированная. Дочерние ДНК являются точной копией друг друга и одновременно копией материнской молекулы ДНК. Таким образом, последовательность одной цепи определяет последовательность другой. Этот ферментативный процесс идет с использованием энергии АТФ.
Кроме ядра, собственную ДНК содержат такие клеточные органоиды, как митохондрии и пластиды. Ядерная ДНК представляет собой линейную молекулу, а ДНК, находящаяся в пластидах и митохондриях, имеет кольцевую структуру и не образует комплексов с белками.
Структура и функции РНК. Строение молекул рибонуклеиновой кислоты (РНК) во многом сходно со строением молекул ДНК. РНК также представляет собой полинуклеотид, но ее молекула одноцепочечная. Мономером РНК является нуклеотид. Однако нуклеотиды, образующие молекулу РНК, несколько отличаются от нуклеотидов ДНК: вместо углевода дезоксирибозы в их состав входит рибоза, а вместо азотистого основания тимина (Т) – близкое по строению азотистое основание урацил (У).
В клетке содержится несколько видов РНК. Молекулы рибосомальной РНК (рРНК) в комплексе с белками образуют рибосомы. Транспортные РНК (тРНК) переносят аминокислоты к месту синтеза белка – к рибосомам. Третий вид РНК – матричная РНК (мРНК). Это наиболее разнообразная по размерам и структуре группа молекул РНК; мРНК служит матрицей для сборки белковых молекул на рибосомах. Все мРНК объединены общей функцией: они участвуют в передаче закодированной наследственной информации из ядра в цитоплазму, на рибосомы (к месту синтеза белковых молекул).
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). По химической структуре АТФ – нуклеотид, относящийся к группе нуклеиновых кислот. Как известно, нуклеотиды служат мономерами нуклеиновых кислот, однако некоторые нуклеотиды выполняют и другие функции. Например, нуклеотид АТФ (аденозинтрифосфат) поставляет энергию для большинства химических реакций, протекающих в живой клетке.
Молекула АТФ включает цепочку из трех остатков фосфорной кислоты, присоединенных к рибозе, которая, в свою очередь, соединена с азотистым основанием аденином (рис. 4). Соединение аденина с рибозой образует аденозин, отсюда и название – аденозинтрифосфорная кислота.
Рис. 4. Схема строения АТФ
В молекуле АТФ два крайних остатка фосфорной кислоты соединены макроэргической связью (обозначается символом
). Данная связь характеризуется тем, что при ее разрыве выделяется большое количество энергии (примерно в 4 раза больше, чем при расщеплении других связей). Макроэргические связи неустойчивы. АТФ легко подвергается гидролизу. При отщеплении одной молекулы фосфорной кислоты АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорная кислота), а при отщеплении двух молекул фосфорной кислоты АТФ превращается в АМФ (аденозинмонофосфорная кислота). Реакции отщепления каждой молекулы фосфорной кислоты сопровождаются освобождением энергии (38 кДж/моль). Присоединение остатков фосфорной кислоты к АМФ и АДФ сопровождается накоплением энергии в образующейся молекуле АТФ.
АТФ имеет важное биологическое значение, поскольку служит универсальным источником энергии в клетке. Синтез АТФ происходит в основном в митохондриях клетки. Из митохондрий АТФ поступает в разные участки клетки, обеспечивая энергией все процессы жизнедеятельности: фотосинтез, биосинтез (например, репликация ДНК, синтез белка, биохимические превращения веществ), движение, проведение нервных импульсов и др.
Вопросы и задания
- Почему молекулы нуклеиновых кислот можно назвать биополимерами, полинуклеотидами?
- Что является мономером молекул нуклеиновых кислот? 3. Каков состав мономеров?
- Что означает принцип комплементарности (соответствия) в строении молекулы ДНК?
- Раскройте взаимосвязь строения и функций ДНК и РНК, дайте их сравнительную характеристику.
- Каково значение ДНК для жизни на Земле?
- Почему АТФ называют основным источником энергии в клетке? Ответ обоснуйте.
