Нуклеиновые кислоты

Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты, в отличие от белков, липидов и углеводов, стали известны относительно недавно – со второй половины XIX века. 

Это связано с тем, что содержание этих веществ в живых организмах относительно невелико – от 0,1 до 5%.

Первоначально их выделяли лишь из наиболее богатых ими источников, таких как лейкоциты, тимус, молоки рыб, зародыши пшеницы, дрожжи. Прошло более 70 лет, прежде чем стало ясно, что эти соединения присутствуют во всех живых организмах и играют в них важнейшую роль. Первоначально же их считали запасными соединениями, в которых клетки хранят фосфор. 

Исследования нуклеиновых кислот осложняются также тем, что большинство из них имеет очень высокую степень полимерности (до нескольких десятков миллионов) и при выделении обычно разрушаются даже от механических воздействий. 

Мономерными звеньями нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. В отличие от моносахаридов и аминокислот, они сами являются сложными веществами, построенными из трёх компонентов разной природы, и могут подвергаться гидролизу. В результате при выделении получают смесь из моносахаридов, фосфорной кислоты и гетероциклических азотистых оснований. 

Моносахариды представлены двумя видами пятиуглеродных веществ – рибозой и дезоксирибозой:

Дезоксирибоза является производным рибозы, у которого отсутствует гидроксил при втором атоме углерода. 

В каждой нуклеиновой кислоте присутствует лишь один из этих сахаров. 

В нуклеотидах они находятся в форме пятичленных циклов и являются как бы центром молекулы нуклеотида. К первому атому углерода присоединяется одно из азотистых оснований. Образуется связь между азотом основания и углеродом сахара, которая называется N-гликозидной. Остаток фосфорной кислоты присоединяется сложноэфирной связью обычно к пятому атому углерода. 

Азотистые основания, входящие в состав нуклеотидов, довольно разнообразны, но в нуклеиновых кислотах в основном встречаются 5 видов оснований. Они являются производными двух гетероциклов – пурина и пиримидина и называются соответственно пуриновыми и пиримидиновыми основаниями. 

Пиримидин представляет собой шестичленное кольцо, содержащее два атома азота и четыре атома углерода. К нему могут присоединяться аминогруппы, кислород и метильные группы. 

В результате образуются три вида оснований: урацил, тимин и цитозин: 

Тимин является метилированным производным урацила и имеет те же активные функциональные группы – N–H и C=O. Поэтому урацил и тимин участвуют в одинаковых взаимодействиях.

Молекула пурина состоит из двух конденсированных колец – шестичленного, такого же как пиримидин, и пятичленного, содержащего два атома азота. К нему присоединяются такие же заместители, как и к пиримидину, и в результате образуется два вида оснований: аденин и гуанин:

Сахар с присоединённым к нему основанием называется нуклеозидом. 

Названия нуклеозидов образуются от названий оснований: аденозин, гуанозин, цитидин, уридин, тимидин. 

Если в нуклеозид входит дезоксирибоза, перед названием ставится приставка дезокси, например, дезоксиаденозин. 

Встречающиеся в клетке свободные нуклеотиды могут содержать некоторые другие основания, а также две или три фосфатные группы, соединенные пирофосфатными связями. Названия таких нуклеотидов образуются из названий нуклеозидов путём добавления числа фосфатных групп, например уридинмонофосфат, гуанозиндифосфат, аденозинтрифосфат. 

Для удобства их сокращают до первых букв – УМФ, ГДФ, АТФ. 

Пирофосфатные группы нуклеотидов при гидролизе выделяют большое количество энергии, поэтому связи между фосфатными группами называют макроэргическими. 

Нуклеозидтрифосфаты, в первую очередь АТФ, являются основными аккумуляторами энергии в клетке и служат источником энергии для большинства проходящих в клетке реакций синтеза сложных веществ. 

Кроме того, нуклеотиды входят в состав многих коферментов, таких, например, как НАД (переносчик водорода) и кофермент А (переносчик ацильных групп).

Соединение нуклеотидов в полимерные цепочки происходит за счёт образования каждой фосфатной группой двух эфирных связей с двумя разными остатками сахаров, а каждого остатка сахара – с двумя разными фосфатными группами. При этом в образовании связи в сахаре участвуют ОН-группы 3- и 5-го атомов углерода (рисунок выше). 

Таким образом формируется цепочка, состоящая из чередующихся остатков рибозы (или дезоксирибозы) и фосфорной кислоты, от каждого мономерного звена которой вбок отходит азотистое основание. 

Концы такой цепочки неодинаковы: на одном у сахара свободно 5-е положение, а на другом – 3-е, поэтому первый называется 5ў-концом, а второй – 3ў-концом. Началом цепи полинуклеотида считается 5ў-конец, а концом – 3ў. 

Как правило, в одной молекуле нуклеиновой кислоты встречается только один вид сахара.  

Нуклеиновая кислота, содержащая рибозу, называется рибонуклеиновой кислотой, или сокращенно РНК, а содержащая дезоксирибозу – дезоксирибонуклеиновой кислотой, или ДНК. 

Эти нуклеиновые кислоты отличаются также по набору оснований. И в ДНК, и в РНК входят аденин, гуанин и цитозин. Урацил встречается только в РНК, а тимин – в ДНК, однако сходство этих оснований позволяет осуществлять похожие взаимодействия в обоих видах нуклеиновых кислот. 

Надо заметить, что хотя мы обычно говорим о нуклеиновых кислотах, в реальных условиях живых клеток всегда присутствуют не сами кислоты, а их соли.

Чаще всего РНК присутствует в виде магниевых солей, а ДНК – магниевых или калиевых.

Кроме того, нуклеиновые кислоты часто образуют связи с некоторыми органическими катионами, в том числе с основными белками.

Чередование различных нуклеотидов в цепи обусловливает огромное разнообразие нуклеиновых кислот. 

Напомним, что количество видов полимеров равно числу видов мономеров в степени, равной числу мономеров в цепи. И хотя число мономеров в нуклеиновых кислотах меньше, чем в белках, степень полимерности, особенно у ДНК, намного выше. 

Длина цепей ДНК, входящих в хромосомы разных организмов, составляет от миллионов до сотен миллионов нуклеотидов. 

Молекулы РНК обычно короче, их длина – от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч нуклеотидов. А при длине цепи в 1000 нуклеотидов количество возможных комбинаций составляет 10600. 

При анализе содержания различных оснований в ДНК из различных организмов Э. Чаргафф обнаружил определённые закономерности: молярное содержание аденина всегда было равно молярному содержанию тимина, а молярное содержание гуанина – молярному содержанию цитозина. 

Количество пуринов равнялось количеству пиримидинов, а отношение А+Т/Г+Ц было различным у разных видов живых организмов. 

Эти закономерности получили название правил Чаргаффа. 

Они указывали на возможные взаимодействия оснований в ДНК между собой. 

На основании правил Чаргаффа и предварительных результатов рентгеноструктурного анализа Д. Уотсон и Ф. Крик в 1953 году предложили двуспиральную модель структуры ДНК. 

Согласно этой модели молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, соединённых между собой азотистыми основаниями. 

При этом аденин одной цепи всегда взаимодействует с тимином другой, а гуанин – с цитозином. 

Такие пары оснований удерживаются за счёт образования между основаниями водородных связей, при этом пара А–Т образует две водородные связи, а пара Г–Ц три водородные связи:

Однако надо заметить, что водородные связи, обычно две, могут образовывать и другие пары оснований.

Главной особенностью пар А–Т и Г–Ц является их одинаковая геометрия. 

Расстояния между атомами, присоединёнными к дезоксирибозе, и углы связей между основаниями и дезоксирибозами у этих пар одинаковы (рисунок выше). Это позволяет построить двуспиральную молекулу с постоянным расстоянием между цепями, состоящими из остатков сахара и фосфорной кислоты. 

Образование любых других пар приводит к нарушению правильной структуры, появлению на двухцепочечной структуре «вздутий» или «провалов». 

Взаимодействие пар А–Т и Г–Ц получило название принципа комплементарности. 

Пары аденин и тимин, гуанин и цитозин называются комплементарными парами, а две цепочки нуклеиновых кислот, в которых все основания образуют комплементарные пары, – комплементарными цепочками. 

Таким образом, каждая молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепочек полинуклеотидов:

Важной особенностью структуры двойной спирали ДНК является то, что основания плотно слипаются своими плоскостями – это делает связь между цепочками ещё более прочной. 

Такое слипание получило название стэкинг-взаимодействия. 

В результате в центре молекулы ДНК находится как бы стержень, построенный из азотистых оснований, а по краям он обвит двумя нитями, состоящими из чередующихся остатков дезоксирибозы и фосфорной кислоты. 

Связи между каждой парой нуклеотидов довольно слабы и при комнатной температуре могут иногда разрываться даже за счёт теплового движения молекул. Однако при разрыве связей между одной или несколькими парами нуклеотидов они не могут разойтись в пространстве, так как их удерживают соседние пары. Поэтому такие разошедшиеся участки через некоторое (очень короткое) время снова соединятся между собой. 

Такие взаимодействия, в которых участвует множество отдельных групп, поддерживающих друг друга, называются кооперативными взаимодействиями.

 

В результате кооперативных взаимодействий слабые связи, например водородные, могут очень прочно удерживать отдельные молекулы в различных комплексах. 

В ДНК кооперативные взаимодействия проявляются наиболее заметно, но они важны и для образования различных структур в белках, полисахаридах, липидах.

Для того, чтобы полностью разделить две нити ДНК, необходимо одновременно разрушить водородные связи между всеми парами оснований, а для этого требуются довольно жёсткие воздействия, например высокие температуры:

После разделения цепи ДНК расходятся и уже не могут образовать исходной структуры, так как для этого каждой цепочке надо найти комплементарную.

Процесс разрушения двуспиральной структуры при повышении температуры называют плавлением ДНК. 

Не надо думать, что при плавлении происходит переход ДНК из твёрдого состояния в жидкое: ДНК всегда находится в растворе, но её свойства резко меняются, что приводит, например, к изменению вязкости раствора. 

Обратный переход из расплавленного состояния в двуспиральное возможен лишь в строго определённых условиях – простое снижение температуры приводит обычно к образованию коротких двуспиральных участков между случайными последовательностями нуклеотидов.

Процессы плавления и восстановления двуспиральных структур в настоящее время широко применяются в различных методах генетической инженерии.