Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды) - природные высокомолекулярные соединения, ответственные за сохранение и воспроизведение наследственной информации в живых организмах.

Впервые обнаружены в 1868 г. в клеточных ядрах, отсюда и название: латинское "нуклеус" означает "ядро".

В состав нуклеиновых кислот как составные части входят: гетероциклические азотистые основания (пиримидины и пурины, см. Гетероциклические соединения), углеводы (рибоза или дезоксирибоза), а также остатки ортофосфорной кислоты Н₃РO₄. Те нуклеиновые кислоты, которые содержат рибозу, называются рибонуклеиновыми кислотами (РНК), а те, которые содержат дезоксирибозу, именуются дезоксирибонуклеиновыми кислотами (ДНК). Молекулярная масса РНК достигает 2-4 млн., ДНК - десятков миллионов.

Мономерным звеном макромолекулы любой нуклеиновой кислоты является нуклеотид, структура которого в общем виде показана на рис. на с. 192. Здесь изображены три составляющие нуклеотида, представляющего собой сочетание азотистого основания, углевода и остатка фосфорной кислоты.

В основе потрясающего разнообразия мира живого лежат два фактора: наследственность и изменчивость. Это те двигатели, которые заставили эволюцию совершить свой головокружительный путь от простейших микроорганизмов до человека. Наследственность и изменчивость - эти принципы заложены в строении молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, в ее способности к самовоспроизведению

При всем разнообразии известных РНК и ДНК в их состав входят лишь четыре качественно различных азотистых основания (см. рис. на с. 192). В молекуле РНК это урацил (У), цитозин (Ц), аденин (А) и гуанин (Г), в молекуле ДНК - три последних основания и тимин (Т) вместо урацила. Связаны мономерные звенья нуклеиновых кислот через фосфорнокислую группу одного нуклеотида и кислородный атом гидроксила другого нуклеотида, как это схематически показано на рисунке.

Схематическое изображение структуры нуклеотидов РНК (вверху) и ДНК

Таким образом, основу и РНК, и ДНК составляет гигантская углеводо-фосфатная цепь с присоединенной к ней "бахромой" азотистых оснований.

Но как расположены в пространстве эти полимерные структуры? Ответить на этот вопрос было очень важно и чрезвычайно сложно. Правильный ответ нашли английские исследователи Дж. Уотсон и Ф. Крик: макромолекулы ДНК представляют собой спираль, состоящую из двух цепей, закрученных вокруг общей оси (рис. на с. 191). Азотистые основания располагаются внутри спирали, а фосфатные группы - на ее внешней поверхности. В каждой цепи нуклеотиды следуют с интервалом в 3,4 · 10^-10 м (в направлении длинной оси макромолекулы), и на один виток спирали приходится по 10 нуклеотидов, т.е. шаг спирали равен 34 · 10^-10 м (34 А). Цепи удерживаются вместе благодаря водородным связям, возникающим между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями, которые лежат в плоскости, перпендикулярной длинной оси молекулы. Образование водородных связей происходит лишь между определенными основаниями, образующими взаимодополнительные пары: А-Т и Г-Ц. Благодаря этому обе цепи в двойной спирали ДНК имеют взаимодополнительную структуру (см. Химическая связь).

В момент деления клетки происходит разделение двух нитей двойной спирали ДНК, и тогда на каждой из образовавшихся цепей начинает строиться недостающая цепь. Строится она из находящихся в клетке нуклеотидов, которые подбираются и нанизываются в цепочку строго систематически, так, чтобы в конечном счете из "половинки" получилась полноценная двойная спираль молекулы ДНК. Таким образом, из одной макромолекулы нуклеиновой кислоты образуются две макромолекулы, абсолютно идентичные исходной. Это и имеют в виду, когда говорят о самоудвоении ДНК.

В макромолекулах ДНК своеобразным четырехбуквенным шифром (все те же А, Г, Т, Ц) Химически записана вся сумма наследуемых признаков, определяющих данный биологический вид, будь то микроорганизм, растение, животное или человек. Таким образом, дезоксирибонуклеиновые кислоты - это те конкретные химические соединения, в структуре которых, определяемой последовательностью чередования различных нуклеотидов, отражена вся наследственная информация биологического вида.

Рибонуклеиновые кислоты также играют очень важную роль в биологических процессах, поскольку они тесно связаны с биосинтезом белков в клетках.