Нуклеиновые кислоты

Название этих веществ происходит от латинского слова пи1еив — ядро и указывает, что нуклеиновые кислоты являются составной частью клеточных ядер.

Нуклеиновые кислоты — высокомолекулярные соединения с молекулярными массами от 200 до нескольких миллионов. Они были открыты в 1869 г. швейцарским химиком Ф. Мише-ром в ядрах лейкоцитов, входящих в состав гноя. Впоследствии нуклеиновые кислоты были обнаружены во всех растительных и животных клетках, вирусах, бактериях и грибах.

Различают два вида нуклеиновых кислот — дезоксирибо-нуклеиновые (сокращенно ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Различие в названиях объясняется тем, что молекула ДНК содержит моносахарид дезоксирибозу, а РНК — рибозу. В настоящее время известно большое число разновидностей ДНК и РНК, отличающихся друг от друга по строению и значению в обмене веществ. Они являются исключительно важными элементами клетки, обеспечивающими хранение и передачу генетической (наследственной) информации в живых организмах. ДНК находится преимущественно в хромосомах клеточного ядра (99% всей ДНК клетки), а также в митохондриях и хлоропластах. РНК входит в состав ядрышек, рибосом, митохондрий, пластид и цитоплазмы.

Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепочек, спирально закрученных одна относительно другой.

Структурными компонентами (мономерами) каждой такой цепочки служат нуклеотиды, количество которых в молекулах нуклеиновых кислот бывает разным — от 80 в молекулах РНК до нескольких десятков тысяч в ДНК. В состав любого нуклеотида входит одно из азотистых оснований — аденин, гуанин, цитозин и тимин (у РНК вместо последнего — урацил), углевод пентоза (у ДНК, как уже говорилось, — дезоксирибоза С5Н10О4, а у РНК — рибоза С5Н10О5) и остаток фосфорной кислоты. Азотистые основания цитозин и тимин (урацил) называются пиримидиновьіми, а аденин и гуанин — пуриновими. Поэтому вполне логично предположить, что при полном гидролизе нуклеиновых кислот образуются смесь пиримидиновых и пуриновых оснований, моносахарид — пентоза (рибоза или дезоксирибоза) и фосфорная кислота.

При мягком гидролизе нуклеиновых кислот образуются нуклеотиды, каждый из которых, как мы уже рассмотрели, состоит из трех частей. Строение каждой составляющей нуклеотида можно отразить с помощью формул:

Нуклеиновые кислоты (НК), как и простые белки, имеют первичную, вторичную и третичную структуру. Чередование мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи образует первичную структуру нуклеиновой кислоты точно так, как из аминокислот образуется белок. 

Вторичная структура ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух переплетенных полинуклеотидных цепей. Одна цепь изогнута в виде спирали и удерживает около себя вторую полинуклеотидную цепь. Образовавшаяся двойная спираль закручена вокруг общей оси, и азотистые основания обеих цепей обращены внутрь спирали. Здесь адениновые остатки одной цепи за счет водородных связей связаны с ти-миновыми остатками второй цепи, а гуаниновые — с цитозиновыми (рис. 42).

Благодаря такому взаимодействию оснований обеспечивается достаточная прочность двойной спирали ДНК.

Пары азотистых оснований, между которыми формируются водородные связи (А...Т; Г...Ц), называются комплементарными, т. е. взаимодополняющими друг друга.

Третичная структура нуклеиновых кислот — это пространственное расположение ДНК и РНК (в виде компактной палочки, клубка и т. д.).

ДНК и РНК локализуются в различных частях клетки, с этим и связаны их функциональные особенности.

ДНК является основным строительным материалом генов, в которых хранится наследственная информация организма. РНК выполняет различные функции, так как существует в виде трех разновидностей: рибосомальная (р-РНК), транспортная (т-РНК) и информационная (и-РНК). Последняя копирует наследственную информацию с участка молекулы ДНК-гена и переносит ее к месту сборки белковой молекулы, т-РНК присоединяет аминокислоты, р-РНК входит в состав рибосом.

Биологическая роль нуклеиновых кислот начала выясняться еще в 1940-х — начале 1950-х гг., когда впервые было установлено, что ДНК, взятая у одной разновидности бактерий и введенная в другую разновидность, заставляет последнюю производить потомство с признаками, имеющимися у первой разновидности. Отсюда вытекало, что вместе с ДНК была перенесена наследственная информация — приказ строить белковые молекулы определенного типа. Эти работы стали исходной точкой быстрого прогресса в области молекулярной генетики.

В общих чертах роль ДНК и РНК выглядит следующим образом. Молекулы ДНК, находящиеся в клеточных ядрах, хранят наследственную информацию, «записанную» в виде различной последовательности нуклеотидов. ДНК играет роль «матрицы», с которой «отпечатываются копии» молекул РНК, непосредственно участвующих в синтезе белка.

Роль РНК в процессе синтеза белка была подтверждена опытами, выполненными в начале 1960-х гг. Из клеток бактерий получили бесклеточную жидкость, содержащую все необходимые для синтеза белка ферменты, ранее находившиеся в клетке. Эта система была способна в течение некоторого времени осуществлять синтез белка, однако затем он замедлялся. В этот момент добавляли РНК и наблюдали возобновление синтезабелка. Можно было добавить и не природную, а синтетическую РНК: синтез белка продолжался и в этом случае. Когда добавка состояла из синтетической РНК, содержащей только один нуклеотид — урацил, образовывался полипептид, состоящий исключительно из фенилаланина. Дальнейшее развитие подобных опытов позволило расшифровать «генетический код»: установить, что каждая аминокислота имеет свои «шифры», записанные в виде последовательности трех нуклеотидов.

1.    Сравните РНК и ДНК:

а) по строению нуклеотидов; б) по строению полинуклеотидной цепи;
в)    по локализации в клетке;
г)    по выполняемой функции в процессе биосинтеза белка.

2.    Используя принцип комплементарности, запишите буквенное обозначение второй половинки фрагмента двойной спирали ДНК:

ААГЦГТТАЦЦ
I_|_|_I_|_|_|_I_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|

3.    Сравните три структуры белковых молекул с соответствующими структурами молекул ДНК. Какую роль играют водородные связи в строении этих биополимеров?

4.    Какие вещества образуются при мягком гидролизе нуклеиновых кислот? А какие при полном гидролизе?

5.    Почему в молекуле ДНК число пуриновых и пиримидино-вых звеньев одинаково?

6.    Какие виды РНК вы знаете? Какова их роль в жизнедеятельности клетки?