Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты впервые были выделены Ф.Мишером в 1869 г. из ядер клеток гноя, а сам термин предложен А.Косселем в 1889 г.

К нуклеиновым кислотам относят высокополимерные соединения, распадающиеся при гидролизе на пуриновые и пиримидиновые основания, пентозу и фосфорную кислоту. Нуклеиновые кислоты содержат С, Н, О большое количество Р (8-10%) и N (15-16%).

Значение нуклеиновых кислот для живых организмов заключается в обеспечении хранения, реализации и передачи наследственной информации.

Нуклеотид — мономер нуклеиновых кислот. Молекула нуклеотида состоит из трех частей: азотистого основания, пятиуглеродного сахара (пентозы) и фосфорной кислоты (рис. 270).

Азотистые основания являются главной частью нуклеотида. Они имеют циклическую структуру, в состав которой наряду с атомами углерода входят атомы других элементов, в частности азота. За присутствие в этих соединениях атомов азота они и получили название азотистых, а поскольку они обладают щелочными свойствами — оснований.

Азотистые основания нуклеиновых кислот относятся к классам пиримидинов и пуринов.

Пиримидиновые основания являются производными гетероциклического соединения — пиримидина, имеющего в составе своей молекулы одно кольцо. К наиболее распространенным пиримидиновым основаниям относятся урацил, тимин, цитозин.

Пуриновые основания являются производными бициклического гетероцикла — пурина, имеющего два кольца: шестичленное и пятичленное.

К пуриновым основаниям относятся аденин и гуанин.

Во всех клетках — прокариотических и эукариотических — в состав нуклеиновых кислот входят эти пять основных азотистых оснований.

Помимо азотистых оснований в образовании нуклеотидов принимают участие углеводный компонент, который представлен двумя сходными моносахаридами: рибозой или дезоксирибозой, относящихся к пентозам.

Третьим компонентом нуклеотидов является остаток фосфорной кислоты — фосфат. Именно наличие фосфата придает нуклеиновым кислотам свойства кислот.

Рис. 270. Компоненты нуклеотидов:   1 — пятиуглеродный сахар; 2 — азотистые основания; 3 — фосфорная кислота.

Как отмечалось ранее, нуклеотиды являются мономерами нуклеиновых кислот. Биосинтез нуклеотидов является первым этапом биосинтеза нуклеиновых кислот. Они их непосредственные предшественники.

Образование нуклеотида происходит в два этапа. На первом этапе в результате реакции конденсации образуется нуклеозид — комплекс азотистого основания с сахаром. На втором этапе нуклеозид подвергается фосфорилированию. При этом между остатком сахара и фосфорной кислотой возникает фосфоэфирная связь. Таким образом, нуклеотид представляет собой нуклеозид, соединенный с остатком фосфорной кислоты (рис. 271).

Рис. 271. Образование нуклеотида.

Названия нуклеотидов отличаются от названий соответствующих оснований. И те, и другие принято обозначать заглавными буквами:

Таблица 6.

Виды нуклеотидов:

Нуклеотиды являются мономерами, из которых построены полимерные цепи нуклеиновых кислот, они входят в состав важных коферментов (НАД, НАДФ, ФАД, КоА).

Динуклеотид представляет собой соединение, состоящее из остатков двух нуклеотидов. При конденсации двух нуклеотидов между 3'-углеродом остатка сахара одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает сложноэфирная связь. Таким образом, остатки сахаров двух

Рис.272. Образование динуклеотида

нуклеотидов оказываются связаны фосфодиэфирными мостиком (рис. 272).

Возникновение фосфодиэфирных мостиков между 3' и 5'-углеродами остатков сахаров может происходить многократно. В результате образуются неразветвленные полинуклеотидные цепи. Один конец полинуклеотидной цепи заканчивается 5'-углеродом (его называют 5'-концом), другой –3'-углеродом (3'-концом).

В зависимости от углеводного компонента нуклеотидов, различают два класса нуклеиновых кислот:

© рибонуклеиновые кислоты (РНК), содержащие рибозу;

© дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие дезоксирибозу.

Нуклеотиды ДНК называют дезоксирибонуклеотидами, РНК — рибонуклеотидами.

Молекулы ДНК являются полимерами, мономерами которых являются дезоксирибонуклеотиды, образованные:

© остатком пятиуглеродного сахара — дезоксирибозы;

© остатком одного из азотистых оснований:

¨ пуриновых — аденина, гуанина;

¨ пиримидиновых — тимина, цитозина;

© остатком фосфорной кислоты.

ДНК представляет собой двойную спираль. Ее молекула образована двумя полинуклеотидными цепями, спирально закрученными друг около друга, и вместе вокруг воображаемой оси (рис. 273). Цепи ДНК антипараллельны (разнонаправлены), то есть против 3'-конца одной цепи находится 5'-конец другой. На периферию молекулы обращен сахаро-фосфатный остов, образованный чередующимися остатками дезоксирибозы и фосфатными группами. Внутрь молекулы обращены азотистые основания.

Диаметр двойной спирали ДНК — 2 нм, шаг общей спирали, на который приходится 10 пар нуклеотидов — 3,4 нм. Длина молекулы — до нескольких десятков и даже сотен микрометров. Молекулярный вес составляет десятки и сотни миллионов (для двойной спирали). В ядре клетки человека общая длина ДНК около 2м.

Рис. 273. Схематичное изображение развернутых цепей ДНК.

Рис.274. Трехмерная модель молекулы ДНК.

Трехмерная модель пространственного строения молекулы ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. американским биологом Дж.Уотсоном и английским физиком Ф.Криком (рис. 274). За свои исследования они были удостоены Нобелевской премии.

Полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК удерживаются друг около друга благодаря возникновению водородных связей между азотистыми основаниями. Спаривание нуклеотидов не случайно, в его основе лежит принцип комплементарного взаимодействия пар оснований: против аденина одной цепи всегда располагается тимин на другой цепи, а против гуанина одной цепи — всегда цитозин другой, то есть аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину (рис. 275). Комплементарностью называют способность нуклеотидов к избирательному соединению друг с другом.

Рис. 275. Спаривание азотистых оснований.

Комплементарность обеспечивается:

© взаимодополнением пространственных конфигураций молекул азотистых оснований;

© количеством водородных связей, возникающих между азотистыми основаниями (три водородные связи между гуанином и цитозином и две водородные связи между аденином и тимином).

Комплементарность пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований обеспечивает одинаковое по всей длине двойной спирали расстояние между цепями.

Э.Чаргафф, обследовав огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, выявил следующую закономерность: в любом фрагменте ДНК содержание остатков гуанина всегда точно соответствует содержанию цитозина, а аденина — тимину. Это положение получило название "правила Чаргаффа":

А + Г

А = Т; Г = Ц или ——— = 1

Ц + Т

Дж.Уотсон и Ф.Крик воспользовались этим правилом при построении модели молекулы ДНК.

Последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой, поэтому две цепи молекулы ДНК комплементарны друг другу.

Одним из уникальных свойств молекулы ДНК является ее способность к самоудвоению — воспроизведению точных копий исходной молекулы. Благодаря этой способности молекулы ДНК, осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним во время деления. Процесс самоудвоения молекулы ДНК называют репликацией.

Репликация — сложный процесс, идущий с участием ферментов (ДНК-полимераз) (рис. 276). Репликация осуществляется полуконсервативным способом, то есть под действием ферментов молекула ДНК раскручивается и около каждой цепи, выступающей в роли матрицы, по принципу комплементарности достраивается новая цепь. Таким образом, в каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая — вновь синтезированной. Раскручивание молекулы происходит на небольшом отрезке (несколько десятков нуклеотидов), называемом репликативной вилкой. После окончания синтеза дочерних цепей ДНК на данном участке и соединения их с материнскими раскручивается новый отрезок, и цикл репликации повторяется. Таким образом, репликативная вилка перемещается вдоль молекулы, пока не дойдет до точки окончания синтеза.

Рис. 276. Репликация ДНК.

В материнской ДНК цепи антипараллельны. ДНК-полимеразы способны двигаться в одном направлении — от 3'-конца к 5'-концу, строя дочернюю цепь антипараллельно — от 5' к 3'-концу. Поэтому ДНК-полимераза передвигается в направлении 3'→5' по одной цепи (3'-5'), синтезируя дочернюю. Эта цепь называется лидирующей. Другая ДНК-полимераза движется по другой цепи (5'-3') в обратную сторону (тоже в направлении 3'→5'), синтезируя вторую дочернюю цепь фрагментами (их называют фрагменты Оказаки), которые после завершения репликации сшиваются в единую цепь. Эта цепь называется отстающей. Таким образом, на цепи 3'-5' репликация идет непрерывно, а на цепи 5'-3' — прерывисто.

Во время репликации энергия молекул АТФ не расходуется, так как для синтеза дочерних цепей при репликации используются не дезоксирибонуклеотиды (содержат один остаток фосфорной кислоты), а дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (содержат три остатка фосфорной кислоты). При включении дезоксирибонуклеозидтрифосфатов в полинуклеотидную цепь два концевых остатка отщепляются, и освободившаяся энергия используется на образование сложноэфирной связи между нуклеотидами.