Энциклопедический словарь
юного биолога

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты — природные высокомолекулярные органические соединения, поли- нуклеотиды, обеспечивают хранение и передачу наследственной (генетической) информации в живых организмах. Нуклеиновые кислоты открыл в 1869 г. швейцарский ученый Ф. Мишер как составную часть клеточных ядер, поэтому- свое название они получили от латинского слова nucleus — ядро.

Нуклеиновые кислоты состоят из цепочек, содержащих от десятков до миллиарда нук- леотидов. В состав каждого нуклеотида входит гетероциклическое основание — аденин (А) или гуанин (Г), являющиеся производными пурина, цитозин (Ц), урацил (У) или тимин (Т), являющиеся производными пиримидина, — углевод (рибоза или дезоксирибоза) и фосфорная кислота (рис. 1).

Рис. 1. Составные компоненты нуклеиновых кислот.

В природе существуют нуклеиновые кислоты двух типов, различающиеся по составу, строению и функциям. Одна из них содержит углеводный компонент дезоксирибозу (см. Углеводы) и названа дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК). Вторая, содержащая рибо- зу, названа рибонуклеиновой кислотой (РНК). ДНК и РНК различаются также и по составу пиримидиновых оснований: для ДНК характерно наличие тимина, для РНК — урацила.

Цепочки ДНК обычно гораздо длиннее, чем цепочки РНК. Гетероциклическое основание, углевод и фосфорная кислота образуют нуклеотид — мономер (рис. 1 и 2, А).

Рис. 2. Структурная организация ДНК.
А. Мономер: 1 — гетероциклинеское основание; 2 — углевод (дезоксирибоза); 3 — остаток фосфорной кислоты.
Б. Организация ДНК в хроматине (сверхспираль): 1 — ДНК; 2 — гистоновый октамер; 3 — нуклеосома.
В. Репликация ДНК: 1 — родительская ДНК; 2 — ДНК-полимераза; 3 — матрица; 4 — строительные блоки (дезоксирибонук- леозидтрифосфаты); 5 — вновь синтезированная цепь ДНК; 6 — пирофосфат; 7 дочерние ДНК.
Г. Двойная спираль ДНК.

Нуклеотиды соединяются в полимерные молекулы РНК и ДНК фосфодиэфирными мостиками (рис. 3).

Рис. 3. Фрагменты молекул ДНК и РНК.

Число нуклеотидных звеньев, связанных в единую полинуклеотидную цепь, варьирует в широких пределах. Наибольшей молекулярной массой обладает ДНК (десятки миллионов и миллиарды дальтон). Так, молекулярная масса ДНК микроорганизма кишечной палочки 2,5- 10⁹ дальтон, число нуклеотидов в ней 4,5- 10⁶. Основная масса ДНК клетки эукари от расположена в ядре, но она обнаружена также в митохондриях, хлоропластах.

В 1953 г. американский биохимик Дж. Уот- сон и английский физик Ф. Крик построили модель пространственной структуры ДНК; которая имеет вид двойной спирали (рис. 2, Г).

Она соответствовала данным английских ученых Р. Франклин и М. Уилкинса, которые с помощью рентгеноструктурного анализа ДНК смогли определить общие параметры спирали, ее диаметр и расстояние между витками. В 1962 г. Уотсону, Крику и Уилкинсу за это важное открытие была присуждена Нобелевская премия.

Двойная спираль образована двумя полинуклеотидными цепями, которые закручены вокруг общей воображаемой оси (рис. 4).

Рис. 4. Схема пространственного расположения полидезоксирибонуклеотидных цепей в молекуле ДНК.

Дезоксирибозофосфатная цепь, составляющая основу спирали, обращена наружу. Азотистые основания (А, Т, Г, Ц) обращены внутрь спирали и образуют пары таким образом, что А одной цепи всегда находится против Т другой цепи, а Г — против Ц. Между сближенными парами оснований образуются водородные связи: две — между АйТи три — между Г и Ц (рис. 5).

Рис. 5. Связи между комплементарными основаниями.

Поэтому нуклеотидная после- довательность одной цепи подходит (комплементарна) к нуклеотидной последовательности другой (комплементарность — вза- имное соответствие в химическом строении молекул, обеспечивающее их взаимодействие; комплементарные структуры подходят друг к другу, как ключ к замку). На один виток спирали приходится 10 нуклеотидных остат- ков. Шаг спирали составляет 3,4 нм, диаметр спирали — около 2 нм.

В хромосомах ДНК в комплексе с белками образует сложную сверхспираль — свернутую двойную спираль, благодаря чему достигается максимально плотная ее упаковка (рис. 2, Б). На стадии метафазы хромосома в 10 тыс. раз короче, чем нить ДНК, образующая эту хромосому.

ДНК служит носителем генетической информации в клетке. Эта информация содержится в ДНК в виде последовательности четырех видов нуклеотидов, в различном порядке чередующихся в полинуклеотидной цепи. Цепочка из 100 нуклеотидов может быть построена 4100 различными способами.

Поэтому образуется огромное число межвидовых и внутривидовых вариаций ДНК, которые кодируют множество различных белков, определяющих появление у разных организмов характерных для них признаков.

Рис. 6. Схема, иллюстрирующая возникновение дочерних и внучатых молекул ДНК из родительской ДНК.

Перед делением клетки (в S-периоде клеточного цикла) цепи родительской ДНК тоже разделяются, и каждая из них становится матрицей (шаблоном) для синтеза комплементарной цепи (рис. 2, В). Этот механизм лежит в основе передачи генетической информации следующему поколению клеток.

Вся РНК клетки синтезируется на ДНК в ядре (см. Транскрипция). По величине молекулярной массы, функциональному значению, расположению в клетке различают три вида РНК: транспортные (тРНК) — низкомолекулярные РНК, локализованы в цитоплазме, осуществляют перенос аминокислот к рибосомам при биосинтезе белков (рис. 7); рибосомальные (рРНК) — высокомолекулярные РНК, являющиеся структурной основой рибосомы, на их долю приходится 80—85% суммарной клеточной РНК; информационные, матричные (иРНК, мРНК) — высокомолекулярные РНК, являющиеся матрицей для биосинтеза полипептидных цепей (см. Трансляция).

Рис. 7. Структура РНК («клеверный лист»).

Таким образом, РНК, будучи переносчиком генетической информации, в то же время участвует в реакциях, при помощи которых эта информация реализуется, например, в процессе биосинтеза белков. В отличие от ДНК спирализация цепи РНК осуществляется в пределах одной молекулы, причем в виде спирали находится примерно 50% цепи, остальные участки остаются одноцепочечными.

Нуклеиновые кислоты в клетке связаны с белками (за исключением тРНК). В соответствии с двумя типами нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) различают дезоксирибонуклеопротеины (ДНП) и рибонуклеопротеины (РНП).

С включением в молекулу нуклеиновой кислоты большого числа белковых молекул у такого рода образований появляются уникальные свойства. Так, РНП-частицы (рибосомы) играют совершенно исключительную роль в биосинтезе белков, а ДНП-частицы (нуклео- сомы) — в формировании и функционировании хромосомного аппарата клетки эукариот.