Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные органические соединения живых организмов, которые осуществляют хранение, передачу и воспроизведение наследственной информации. В ДНК любой клетки закодирована информация о том, какие белки и в какой последовательности будут синтезироваться, а значит, какие признаки и в какой момент жизни будут развиваться.

Нуклеиновые кислоты хорошо растворимы в воде, практически не растворимы в органических растворителях, очень чувствительны к действию температуры и критическим значениям уровня pH.

Нуклеиновые кислоты были впервые выделены из клеток гноя человека и спермы лосося швейцарским врачом и биохимиком Фридрихом МИшером между 1869 и 1871 годами. Впоследствии было установлено, что в природе существуют два вида нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Различие в названиях объясняется тем, что молекула ДНК содержит пятиуглеродный сахар дезоксирибозу, а молекула РНК – рибозу. В настоящее время известно большое число разновидностей ДНК и РНК, отличающихся друг от друга по строению и значению в метаболизме клеток.

Структура молекулы ДНК была установлена в 1953 году Морисом Уилкинсом, Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком в Англии. Это фундаментальное открытие позволило понять механизм удвоения (репликации) нуклеиновых кислот.

Современной науке известно, что нуклеиновые кислоты — самые крупные из молекул, образуемых живыми организмами. Их молекулярная масса может быть от 10 000 до нескольких миллионов углеродных единиц.

Так как наиболее высокое содержание нуклеиновых кислот обнаружено в ядрах клеток, то они и получили свое название от латинского «нуклеус» — ядро. Нуклеиновые кислоты есть и в цитоплазме, и в целом ряде органоидов — митохондриях, пластидах.

Нуклеиновые кислоты являются биополимерами, состоящими из мономеров - нуклеотидов.  Мономеры ДНК-дезоксирибонуклеотиды, мономеры РНК – рибонуклеотиды. Название кислот обусловлено тем, что молекула ДНК содержит дезоксирибозу, а молекула РНК –  рибозу.

Молекула каждого нуклеотида состоит из фосфатной группы,  пятиуглеродного сахара (пентозы) и азотистого основания.

В 1953 году американским биохимиком Джеймсом Уотсоном и английским физиком Френсисом Криком была предложена модель пространственной структуры ДНК. Согласно этой модели, молекула ДНК имеет форму спирали, образованную двумя полинуклеотидными цепями, закрученными относительно друг друга и вокруг общей оси. Дальнейшее изучение детальной структуры ДНК показало, что молекула обладает значительной конформационной свободой, в результате были открыты несколько различных конформаций двухцепочечной молекулы ДНК.

Молекула ДНК имеет сложное строение. Она состоит из двух цепей, которые закручены спирально и соединены водородными связями друг с другом по всей длине. Такая структура свойственна только молекулам ДНК и называется двойной спиралью. Каждая цепь ДНК представляет полинуклеотид, состоящий из нескольких десятков тысяч и даже миллионов нуклеотидов. Дезоксирибоза одного нуклеотида соединяется с остатком фосфорной кислоты другого нуклеотида ковалентными связями. Азотистые основания, которые располагаются по одну сторону от образовавшегося остова одной цепи ДНК, формируют водородные связи с азотистыми основаниями второй цепи. В спиральной молекуле двухцепочечной ДНК азотистые основания находятся внутри спирали. Полинуклеотидные цепи молекулы ДНК могут быть разделены только после раскручивания спирали.

В двойной спирали ДНК азотистые основания одной цепи располагаются в строго определенном порядке против азотистых оснований другой. Между аденином и тимином всегда возникают две, а между гуанином и цитозином — три водородные связи. Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин — только с цитозином. Пары нуклеотидов аденин и тимин, а также гуанин и цитозин строго соответствуют друг другу и являются дополнительными или комплементарными (от лат. complementum — дополнение).

С помощью четырех типов нуклеотидов в ДНК записана вся важная информация об организме, передающаяся по наследству последующим поколениям. Структура каждой молекулы ДНК строго индивидуальна и специфична, так как представляет собой кодовую форму записи биологической информации (генетический код).

Диаметр молекулы ДНК – 2 нм (нанометра), шаг спирали – 3,4 нм; каждый виток спирали содержит 10 пар нуклеотидов.

В основном молекулы ДНК располагаются в ядрах клеток, незначительное количество их содержится в митохондриях и пластидах.

Строение молекул РНК во многом сходно со строением молекул ДНК. Однако имеется и ряд существенных отличий: молекулы РНК значительно короче ДНК, в молекуле РНК вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов входит рибоза. Азотистое основание тимин (Т) в составе РНК заменяется на урацил (У). Главное отличие от ДНК состоит в том, что молекула РНК представляет собой одну цепь. Однако ее нуклеотиды способны образовывать водородные связи между собой (например, в молекулах тРНК, рРНК), благодаря чему каждая молекула РНК имеет уникальную природную структуру. Молекула РНК может содержать от 75 до 10 000 нуклеотидов.

В зависимости от величины молекул, локализации в клетке, функции различают 3 вида РНК: матричные РНК, или информационные РНК (и-РНК), транспортные – т-РНК, рибосомные –р-РНК.

Матричная, или информационная РНК

Это вид РНК открыт в 1961 году французскими генетиками Франсуа Жакобом и Жаком Моно. Она составляет всего 2-5% от общего количества РНК клетки. Эта РНК не имеет жесткой специфической структуры, и ее полинуклеотидная цепь образует изогнутые петли. В нерабочем состоянии м-РНК собрана в складки, свернута в клубок, связана с белком; а во время функционирования цепь расправляется. Матричные РНК синтезируются на матрице ДНК в ядре, передают информацию о структуре белка из ядра клеток рибосомам, где происходит процесс реализации этой информации.

Рибосомные РНК.

На долю этого вида РНК приходится более 80% от всей массы РНК клетки. Она входит в состав рибосом. Роль р-РНК состоит в формировании активного центра рибосомы, в котором происходит синтез белка.

Транспортные РНК

Транспортные РНК являются самыми небольшими по размеру РНК, состоящими из 70-100 нуклеотидов.

Этот вид РНК синтезируется в ядре на матрице ДНК, а затем сквозь поры в ядерной оболочке выходит в цитоплазму. Он составляет около 10% всей клеточной РНК. Основная функция т-РНК – транспорт и установка аминокислот при биосинтезе белка. Каждая т-РНК присоединяет только определенную аминокислоту и транспортирует ее к месту сборки полипептида в рибосоме.

Все известные т-РНК за счет комплементарного взаимодействия образуют вторичную структуру, по форме напоминающую лист клевера. В молекуле т-РНК различают несколько участков: 1) акцепторный стебель с последовательностью нуклеотидов АЦЦ (читается аденин-цитозин-цитозин), к нему присоединяется аминокислота; 2) участок для присоединения к рибосоме; 3) антикодон – участок, комплиментарный кодону м-РНК, который кодирует аминокислоту, присоединенную к данной т-РНК.
           Каждой аминокислоте соответствует комбинация из трех нуклеотидов — триплет. Кодирующие аминокислоты триплеты — кодоны ДНК — передаются в виде информации триплетов (кодонов) и-РНК. У верхушки клеверного листа располагается триплет нуклеотидов, который комплементарен соответствующему кодону и-РНК. Этот триплет различен для т-РНК, переносящих разные аминокислоты, и кодирует именно ту аминокислоту, которая переносится данной т-РНК. Он получил название антикодон.

Акцепторный конец является «посадочной площадкой» для аминокислоты.

Таким образом, различные типы РНК представляют собой единую функциональную систему, направленную на реализацию наследственной информации через синтез белка.

Все типы РНК, за исключением генетической РНК вирусов, не способны к самоудвоению и самосборке. Так как у вирусов, в отличие от остальных организмов, одноцепочечные ДНК и двухцепочечные РНК.