Нуклеиновые кислоты – это полинуклеотиды

При соединении мононуклеотидов с помощью фосфодиэфирной связи между 3′-углеродным атомом пентозы одного нуклеотида и 5′-углеродным атомом пентозы другого образуются полинуклеотиды. Их молекулярная масса может достигать десятков миллионов.

В зависимости от вида пентозы различают два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая кислота и дезоксирибонуклеиновая кислота.

Особенности нуклеиновых кислот.

Выявление роли нуклеиновых кислот в организме человека – одна из важнейших работ в биохимии. Нуклеиновым кислотам принадлежит решающая роль в обеспечении специфического биосинтеза макромолекул, в том числе белковых тел, являющихся материальным субстратом жизненных процессов. ДНК в силу комплементарности строения её двухцепочечной структуры способна обеспечить специфический синтез новых молекул нуклеиновой кислоты. Матричная ДНК служит основой для синтеза информационной РНК, которая несет генетическую информацию на рибосому, к месту синтеза белка.

В зависимости от локализации и функции различают т-РНК – 15% РНК клетки выполняют активирование и перенос аминокислот, и адапторную функцию, которая позволяет перевести «язык» генетического кода (последовательность нуклеотидов) в «язык» структуры белковой молекулы (аминокислотная последовательность); 5% всей РНК клетки – это и-РНК, которая является комплементарной копией генов, кодирующих белки. Она используется как матрица на рибосоме во время сборки полипептидной цепи; рибосомная РНК (р-РНК) – около 80% всей клеточной РНК находится в цитоплазме в составе рибосом. Главная функция этой РНК – структурная организация рибосомы – места, где происходит сборка полипептидной цепи. В ядре клетки обнаружена еще одна – гетерогенная ядерная РНК. Она синтезируется в ядре на ДНК и представляет собой молекулу-предшественницу всех типов РНК. Отдельно следует упомянуть вирусную РНК. У некоторых типов вирусов РНК играет роль хранительницы генетической информации. Проникновение такого вируса в клетки требует предварительного синтеза ДНК по матрице РНК этого вируса. В дальнейшем вирус ведет себя так же, как и вирус, имеющий ДНК.

Для нуклеиновых кислот характерны три уровня организации.

Первичная структура нуклеиновых кислот – порядок чередования нуклеотидных остатков в цепях молекул. В первичной структуре ДНК и и-РНК есть одна интересная особенность: последовательность нуклеотидных остатков в и-РНК полностью совпадает с последовательностью нуклеотидных остатков (с заменой урацила на тимин соответственно) в определенных участках ДНК. Это обстоятельство очень важно для понимания закономерностей специфического биосинтеза макромолекул в живой природе.

Самой характерной особенностью вторичной структуры ДНК и РНК является их спирализация. Уотсон и Крик в 1953 году предложили модель вторичной структуры ДНК, образно названную «двойная спираль». Две полинуклеотидные цепи соединяются между собой при помощи водородных связей, образующихся между азотистыми основаниями расположенных рядом цепей, а также силами гидрофобного взаимодействия между азотистыми основаниями. Основания пространственно дополняют друг друга (принцип комплементарности). Благодаря водородным связям достигается стабильность образуемой спиральной структуры, причем максимум водородных связей как условие максимальной стабильности возникает лишь в том случае, если образуются пары А-Т, Г-Ц. На обе пары приходится 5 водородных связей. Двойная спираль ДНК является регулярной структурой: шаг спирали (один виток) равен 3,4 нм, в каждый виток укладывается 10 пар нуклеотидов, т.е. высота одного нуклеотида равна 0,34 нм. Подобно белковой молекуле, ДНК может денатурировать. Денатурация вызывается нагреванием, действием факторов, нарушающих водородные связи, и другими способами. ДНК, содержащие больше Г-Ц пар, денатурируют при более высокой температуре, т.к. эта пара образует 3 водородные связи, а пара А–Т денатурирует при более низкой температуре, т.к. образует 2 водородные связи. При медленном охлаждении две цепи вновь вступают во взаимодействие, формируя двойную спираль.

Третичная структура представляет собой пространственную укладку вторичных структур нуклеиновых кислот. У РНК они чаще всего представлены в виде клубка, содержащего обширные спирализованные участки, построенные из одной полинуклеотидной цепи. Лучше всего изучена третичная структура т-РНК, так как молекула у них невелика и легче поддается изучению. Менее всего исследована и-РНК, что связано с большими размерами молекул и непродолжительностью существования их. В формировании третичной структуры ДНК и РНК важную роль играют белки. При этом возникают большие внутриклеточные частицы – рибосомы, информосомы, исключение составляет небольшая по размерам т-РНК (70-80 мононуклеотидов). При изучении оказалось, что в ядре клетки находится хроматин, точнее хроматиновые нити, представляющие собой цепи бусинок – нуклеосом (см. рис. 28 уч. биохимии стр. 57). Каждая нуклеосома состоит из белков гистонов, на которые и закручена молекула ДНК. В свою очередь нуклеосомные нити скручены в спираль, образуя толстые фибриллы. Подобная многократная спирализация ДНК и составляет третичную её структуру, обеспечивающую плотную упаковку ДНК в ядре клетки.

Нуклеиновые кислоты и белки называют информационными молекулами, так как в чередовании их мономеров заложен определенный смысл. Последовательность нуклеотидов в ДНК определяет структуру всех белков клетки. Участки ДНК, кодирующие определенные белки (гены), копируются в виде полинуклеотидной цепи матричной ДНК (м-ДНК), которая затем служит матрицей для синтеза белка. Таким образом, генетическая информация, записанная в ДНК (в генотипе), обеспечивает образование фенотипических признаков клетки, т.е. генотип трансформируется в фенотип. Это направление потока информации включает три типа матричных синтезов:

1) синтез ДНК – репликацию;

2) синтез РНК – транскрипцию;

3) синтез белка – трансляцию.

Репликация ДНК – это удвоение ДНК. Каждая нить двойной спирали выступает в роли матрицы для синтеза новой цепи. Следовательно, вновь образованные двухспиральные молекулы состоят из одной «новой» и одной «старой» цепи. Субстратами синтеза являются дезоксинуклеозидтрифосфаты, выполняющие роль строительного материала и источников энергии. Для репликации ДНК необходим большой набор разнообразных ферментов и белков – репликативный комплекс.

Синтез и-РНК – транскрипция – процесс переписывания генетической информации с матричной ДНК. Транскрипция, как и репликация ДНК – эндоэргический процесс, сопряженный с использованием нуклеозидтрифосфатов в качестве субстратов и источников энергии. РНК-полимераза катализирует синтез всех типов РНК.

Синтез белка – трансляция генетической информации – это не переписывание информации, а переход с нуклеотидной последовательности (четырёхбуквенный язык) к аминокислотной последовательности (двадцатибуквенный язык). В основе передачи информации лежит биологический код.

Итак, биологическое значение ДНК заключается в хранении биологической информации. Наиболее важными в функциональном отношении участками ДНК являются структурные гены, каждый из которых отвечает за синтез одного определенного белка. Последовательность соединения азотистых оснований в гене кодирует последовательность аминокислот в белке, его первичную структуру, и является уникальной для каждого белка. Изменение хотя бы одного азотистого основания на другое или изменение структуры азотистого основания приводит к образованию нового белка с новыми свойствами и функциями. Это может стать причиной не только заболевания, но и привести к летальному исходу.