Нуклеиновые кислоты: строение и функции

Вы задумывались когда-либо о самом существе жизни? Может быть, приходилось отвечать на вопрос – что такое жизнь? А сами его когда-нибудь задавали?

Возможно, это было на первых уроках биологии в девятом классе. А представьте – завтра или уже сегодня после обеда вы встретите инопланетянина и возникнет необходимость раскрыть перед ним саму суть существования жизни на Земле. Каким будет ваш ответ?

Попробуем обратиться к истории.

Во второй половине XIX века Фридрих Энгельс, как вы знаете, отдавал предпочтение белкам. Как главным составляющим и непосредственным исполнителям, если так можно выразиться, жизни.

А в середине XX века американский физик Франк Типлер высказывал мнение, что жизнь является всего лишь информацией особого рода: «Я определяю жизнь как некую закодированную информацию, которая сохраняется естественным отбором». Трудно не согласиться с его попыткой выделить из всех критериев жизни в качестве главного способность живых организмов сохранять и передавать информацию.

Скорее всего, согласится с таким мнением и встретившийся вам инопланетянин. Но тогда у него непременно возникнет следующий вопрос – как вы это делаете?

Отвечаем прямо сейчас. На этом уроке.

Мы преодолели все предыдущие ступеньки лестницы органических веществ и полностью заслужили право узнать подробнее о самой таинственной и важной молекуле жизни на Земле – молекуле ДНК.

Точно так все ступеньки этой лестницы преодолевало и всё человечество. И именно наверху, в последнюю очередь, пытливому людскому разуму покорилась ДНК.

Это произошло в 1953 году стараниями всё тех же американцев: Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика.

Джеймс Уотсон

Фрэнсис Крик

Кстати, в тесном сотрудничестве с известными Максом Перуцем и Джоном Кендрю, впервые открывшим структуры белка.

В 1962 году, пожалуй, наиважнейшее открытие в истории биологии заслуженно было отмечено Нобелевской премией. Которая была присуждена за открытие строения всего одной молекулы из многих миллионов. Но именно той, которую природа на Земле назначила носителем наследственной информации всех живых организмов.

Если быть уж совсем справедливыми, то нуклеиновые кислоты были известны задолго до открытия строения ДНК.

В 1869 году они были открыты швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером. Неизвестное в то время соединение было выделено из ядер лейкоцитов человека и сперматозоидов лосося и было названо нуклеин (от латинского nucleus – ядро). Но позднее были выявлены кислотные свойства нуклеина, и он получил своё современное название – нуклеиновая кислота.

Нуклеиновые кислоты оказались самыми огромными биологическими молекулами с молекулярной массой до нескольких миллионов. Можно с уверенностью утверждать, что такая огромная масса возможна только в том случае, если вещество является полимером. И это так на самом деле. Нуклеиновые кислоты (а это не только ДНК) – биополимеры. Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды.

Если ранее вы встречались с мономерами, представленными каким-либо одним веществом. Помните? Глюкоза – мономер целлюлозы, аминокислоты (но они бывают 20 видов) – мономеры белков. То мономеры нуклеиновых кислот состоят из остатков трёх веществ: фосфорной кислоты, пятиуглеродного сахара (рибозы или дезоксирибозы) и азотистого основания.

Но это ещё не всё. В состав нуклеотидов может входить пять различных азотистых оснований: аденин, гуанин, тимин, цитозин и урацил.  По своему химическому строению они делятся на две группы: пуриновые и пиримидиновые. К пуриновым относятся аденин и гуанин, а к пиримидиновым – тимин, цитозин и урацил.

Таким образом, в зависимости от входящего в состав нуклеотидов азотистого основания, различают пять видов мономеров нуклеиновых кислот.

Адениловый, гуаниловый, тимидиловый, цитидиловый и урациловый нуклеотиды.

В цепочки нуклеотиды соединяются через сахар. То есть пентоза одного нуклеотида – остаток фосфорной кислоты другого – пентоза другого – остаток фосфорной кислоты третьего и так далее.

Идём дальше. Наверняка, вы уже встречались с названиями нуклеиновых кислот. Это может быть либо дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), либо рибонуклеиновая кислота (РНК). Почему они так называются и как их различить? Несмотря на кажущуюся сложность, всё очень просто. Ключевая роль здесь отведена сахару, входящему в состав кислоты. Если это дезоксирибоза – кислота дезоксирибонуклеиновая. Если рибоза – рибонуклеиновая.

Обратимся к строению ДНК.

Следуя нашей схеме, ДНК – полимер. Мономером является нуклеотид. В состав нуклеотида входят остатки трёх веществ: фосфорной кислоты, дезоксирибозы и азотистого основания. Четыре из пяти азотистых оснований входит в состав ДНК: аденин, тимин, гуанин и цитозин.

Состав молекулы ДНК был известен задолго до открытия её структуры. В 1950 году американский учёный Эрвин Чаргафф установил важнейшие закономерности. Названные впоследствии правилами Чаргаффа. И которые вы обязательно должны запомнить:

1.     Количество адениловых нуклеотидов в молекуле ДНК равно количеству тимидиловых, а количество гуаниловых – количеству цитидиловых.

2.     Количество пуриновых азотистых оснований равно количеству пиримидиновых.

3.     Суммарное количество адениловых и цитидиловых нуклеотидов равно суммарному количеству тимидиовых и гуаниловых нуклеотидов, что следует из первого правила.

На первый взгляд, это сложно, но решив уже пару задач на расчёт количества нуклеотидов, вы со всем разберётесь.

Знание состава дезоксирибонуклеиновой кислоты не проливало свет на её строение. Каково же пространственное расположение нуклеотидов в молекуле ДНК?

Оновываясь на исследованиях Чаргаффа, а также Розалинд Франклин

Джеймсу Уотсону и Фрэнсису Крику удалось найти ответ на этот вопрос.

Что же было ими установлено? А ими была установлено, что ДНК – полинуклеотидная цепочка, состоящая из двух цепей! В которой азотистые основания смотрят внутрь этой цепочки. Этот ключевой момент и был самой главной загадкой для учёных. Кроме того, располагаются они не в произвольном порядке, а строго упорядоченно. Это обусловлено тем, что между аденином и тимином в двойной спирали ДНК возникает две водородные связи, а между гуанином и цитозином – три. Таким образом, нуклеотиды образуют пары. А их соответствие друг другу называется комплементарностью.

Комплементарность нуклеотидов обуславливает комплементарность и двух цепей ДНК. Они напоминают винтовую лестницу, так как закручены вокруг общей оси. Технические параметры этой лестницы таковы: диаметр около двух нанометров, один виток спирали включает в себя 10 пар нуклеотидов. Длина одного витка – 3,4 нанометра.

Таким образом, со строением ДНК разобрались. Осталось назвать функции этого вещества в организме. Они не будут разнообразными, как например, у белков. Но, как вы понимаете, исключительно важными. Потому что в ДНК хранится вся наследственная информация организма. Практически в каждой клетке живого существа содержится информация о структуре всех его белков. И представлена она там в виде последовательности нуклеотидов. То есть, в закодированном виде.

Итак, ДНК отвечает за сохранность наследственной информации и передачу её потомкам в неизменном виде. Располагаются молекулы ДНК в эукариотической клетке, в основном, в ядре, а также в пластидах и митохондриях.

Что же, выдохнули, и давайте приниматься за РНК. Здесь попроще. Особенно после ДНК.

Вновь обратимся к нашей схеме. РНК – полимер. Мономером является нуклеотид. В состав нуклеотида входят остатки трёх веществ: фосфорной кислоты, рибозы и азотистого основания. Четыре из пяти азотистых оснований входит в состав РНК: аденин, урацил, гуанин и цитозин.

Молекулы РНК одноцепочечные и значительно короче молекул ДНК.

Но в отличие от ДНК, в клетке существует несколько видов РНК. Различаются они по размерам молекул, структуре и выполняемым функциям. Хотя все задействованы в одном важнейшем процессе – синтезе белка.

Рибосомные РНК (р-РНК) – самые многочисленные. Они составляют до 80% всех РНК клетки. Р-РНК в комплексе с белками являются основными структурными элементами рибосом, где регулируют образование пептидных связей между аминокислотами.

На долю транспортных РНК (т-РНК) приходится около 15% всех клеточных РНК.  Молекулы т-РНК имеют сравнительно небольшие размеры – в среднем в их состав входит 80 нуклеотидов. А также достаточно изящную форму, которая напоминает листок клевера. От этого и пошло название структуры т-РНК – клеверный лист. Транспортные рибонуклеиновые кислоты переносят мономеры белков – аминокислоты – из цитоплазмы клетки к месту синтеза белка – в рибосомы.

И третий вид рибонуклеиновых кислот клетки – информационные РНК (и-РНК), либо их ещё называют матричными (м-РНК). Они являются самыми разнородными по размерам и структуре. Так как они несут в себе информацию о строении самых различных белков. Содержание и-РНК в клетке небольшое – 3-5% от всех РНК.
Чтобы представить себе функции информационных-РНК, забежим немножко вперёд и одним глазком взглянем на процесс синтеза белка в клетке.

Мы уяснили, что информация о последовательности аминокислот, то есть о первичной структуре любого белка, находится в ядре клетки, в ДНК. А сборка самих белков из аминокислот происходит в других клеточных органеллах – в рибосомах. Значит, нужен какой-то механизм передачи информации из ядра в рибосомы. В качестве такого механизма и выступают информационные РНК. Они передают информацию о последовательности нуклеотидов ДНК в центры сборки белковых молекул.