Химическое строение нуклеиновых кислот

Все многообразие живых организмов состоит из клеток. Клетка – это структурная и функциональная единица всего живого.

Важнейший структурный компонент клетки – ядро. От цитоплазмы его отделяет ядерная оболочка, состоящая из двух мембран, между которыми располагается узкая полость, заполненная полужидким веществом. Через поры ядерной оболочки осуществляется обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Полость ядра заполнена ядерным соком. В нем находятся ядрышко(одно или несколько), хромосомы, ДНК, РНК, белки, липиды, углеводы.В клетке синтезируются белки.

Определяют синтез белка, хранят и передают наследственную информацию нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты – это высокомолекулярные органические соединения, имеющие первостепенное биологическое значение. Впервые они были обнаружены в ядре (в конце XIX века), отсюда и получили название («нуклеус» - ядро).

Существует два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Основное место нахождения ДНК – ядро клетки. ДНК обнаружена также в некоторых органоидах (пластиды, митохондрии, центриоли). РНК встречается в ядрышках, в рибосомах и цитоплазме клеток.

Молекула ДНК имеет сложное строение. Она состоит из двух спирально закрученных нитей. Её мономерами служат нуклеотиды. Каждый нуклеотид – химическое соединение, состоящее из трёх веществ: азотистого основания, пятиатомного сахара дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты (рис. 1.1).

Рис.1.1. Химическое строение нуклеотида молекулы ДНК

Фосфорная кислота и углевод (дезоксирибоза) у всех нуклеотидов одинаковы, а азотистые основания бывают четырёх типов: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Они и определяют название соответствующих нуклеотидов: адениловый (А), гуаниловый (Г), тимидиловый (Т) и цитидиловый (Ц) (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Типы азотистых оснований молекулы ДНК

Молекула ДНК состоит из двух цепочек, подобных друг другу, закрученных в спираль. Каждая из цепочек представлена, в свою очередь, четырьмя чередующимися элементами – нуклеотидами.

Среднее количество нуклеотидов в цепи ДНК около 10 тысяч. Средняя молекулярная масса ДНК – 10 миллионов. Если вытянуть в одну нить все ДНК из одной клетки человека, то её длина составит до 3м 60 см. Таким образом, молекула ДНК оказалась крупнейшей из молекул известных полимеров.

Азотистые основания в молекуле ДНК соединены между собой неодинаковым количеством водородных связей. Аденин – тимин образуют две водородные связи, гуанин – цитозин соединяются тремя водородными связями.

Способность к избирательному взаимодействию аденина с тимином, а гуанина с цитозином, основанная на особенностях расположения в пространстве атомов этих молекул, называется комплементарностью (дополнительностью). Это объясняется тем, что А и Т и Г и Ц строго соответствуют друг другу, дополняют друг друга, отсюда и название комплементарность (от греч. «комплемент» - дополнение).

Различные комбинации трёх смежных нуклеотидов, которые образуют триплеты, называемые кодонами.

Предположение о том, что плоскости азотистых оснований перпендикулярны оси ДНК, высказанное в 1938 году, было подтверждено в 1947 году исследованиями в Кембридже, при помощи рентгеноструктурного анализа. Выяснилось, также, что столбики нуклеотидов расположены один над другим, а основания упакованы внутри них.

В 1947 году генетика обогатилась ещё одним немаловажным открытием: выяснилось, что азотистые основания в ДНК соединены друг с другом очень слабыми водородными связями. И тут же последовала ещё одна весть. Э. Чаргафф из Колумбийского университета сообщил о любопытной закономерности: как бы ни отличались разные формы ДНК по чередованию оснований, количество аденина всегда равно количеству тимина (А=Т), а количество цитозина – количеству гуанина (Ц=Г), причём сумма аденина и цитозина равна сумме тимина и гуанина.

Для лучшего запоминания эту закономерность можно изобразить так:

А=Т

Ц=Г

А+Ц=Т+Г

Одно из замечательных открытий века – разгадка структуры ДНК – было сделано в 1953 году в Англии тремя совместно работавшими учёными: Френсисом Криком, Джеймсом Уотсоном и Маршалом Уилкинзом. В 1962 году их работа была увенчана высшей научной наградой – Нобелевской премией.

ДНК состоит из двух нитей, или «цепей», спирально закрученных вокруг общей, пусть и несуществующей оси. Обе цепи связаны своими основаниями (рис.1.3).

Рис.1.3. Химическое строение молекулы ДНК

Основание одной цепи соединено водородными связями с основанием второй цепи, а все основания парами, как перекладины лестницы, расположены вдоль всей молекулы. Причём, длинные пуриновые основания (А и Т) всегда соединены с короткими пиримидиновыми (Ц и Г) – иначе «перекладины лестницы» были бы неодинаковы. Основания ДНК строго комплементарны (содополняют друг друга) и объединены в «неразлучные пары» - аденин с тимином, а цитозин с гуанином (А – Т; Ц - Г). Эти парные основания получили известность под названием комплементарных, а нити ДНК – комплементарных нитей.

Чисто умозрительно Ф. Крик с Дж. Уотсоном предположили, что ДНК самоудваивается благодаря разрыву слабых водородных связей, отходу друг от друга одноцепочных нитей, и достраивают каждую цепочку своей новой половины из плавающих в клетке свободных нуклеотидов. К каждому открытому азотистому основанию в цепи ДНК присоединяется его пара: к аденину – тимин, к цитозину – гуанин. Таким путём две разделившиеся исходные нити превращаются в две новые молекулы ДНК, идентичные исходной. Происходит, как говорят генетики, репликация – самокопирование. Гипотетическая картина репликации ДНК, подсказанная биохимиками Ф.Криком и Дж.Уотсоном, была подтверждена в 1957 году экспериментом американского учёного А. Корнберга. Им было установлено, что репликация – процесс ферментативного синтеза одной цепи ДНК на матрице другой цепи ДНК. При репликации двойная спираль ДНК постепенно раскручивается (расплетается) с одного конца и по мере освобождения её цепей на каждой из них достаивается новая цепь (рис. 1.4).

Рис. 1.4.Молекула ДНК и её репликация

Гипотеза Крика-Уотсона о механизме воспроизведения молекулы ДНК окончательно была утверждена в ранге теории.

Выяснение замечательной способности молекул ДНК к воспроизведению имело огромное значение для дальнейшего развития молекулярной генетики, так как позволило понять роль молекул ДНК в передаче наследственной информации.

Рибонуклеиновая кислота – РНК – полимер, по структуре сходный с одной цепочкой ДНК, но значительно меньших размеров. Мономерами РНК являются нуклеотиды, состоящие из фосфорной кислоты, углевода (рибозы) и азотистого основания. Три азотистных основания РНК – аденин, гуанин и цитозин – соответствуют таковым ДНК, а вместо тимина в РНК присутствует урацил. Образование биополимера РНК происходит через ковалентные связи между рибозой и фосфорной кислотой соседних нуклеотидов.

Известны три вида РНК: информационная РНК (и-РНК) передаёт информацию о структуре белка с молекулы ДНК, транспортная РНК (т-РНК) транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка и рибосомная РНК(р-РНК) – содержится в рибосомах, участвует в поддержании структуры рибосомы.