Нуклеїнові кислоти, біополімери, що складаються із залишків фосфорної кислоти, цукрів і азотистих основ (пуринів і піримідинів). Мають фундаментальне біологічне значення, оскільки містять в закодованому вигляді всю генетичну інформацію будь-якого живого організму, від людини до бактерій і вірусів, що передається від одного покоління іншому.
Нуклеїнові кислоти були вперше виділені з клітин гною людини і сперми лосося швейцарським лікарем і біохіміком Ф.Мішером між 1869 і 1871. Згодом було встановлено, що існує два типи нуклеїнових кислот: рибонуклеїнова (РНК) і дезоксирибонуклеїнової (ДНК), однак їх функції довго залишалися невідомими.
У 1928 англійський бактеріолог Ф.Гріффіт виявив, що убиті патогенні пневмококи можуть змінювати генетичні властивості живих непатогенних пневмококів, перетворюючи останні на патогенні. У 1945 мікробіолог О. Евері з Рокфеллерівського інституту в Нью-Йорку зробив важливе відкриття: він показав, що здатність до генетичної трансформації обумовлена перенесенням ДНК з однієї клітини в іншу, а отже, генетичний матеріал являє собою ДНК. У 1940-1950 Дж.Бідл і Е.Тейтум з Стенфордського університету (шт. Каліфорнія) виявили, що синтез білків, зокрема ферментів, контролюється специфічними генами. У 1942 Т.Касперсон в Швеції і Ж.Браше в Бельгії відкрили, що нуклеїнових кислот особливо багато в клітинах, що активно синтезують білки. Всі ці дані наводили на думку, що генетичний матеріал - це нуклеїнова кислота і що вона якось бере участь в синтезі білків. Однак в той час багато хто вважав, що молекули нуклеїнових кислот, незважаючи на їх велику довжину, мають занадто просту періодично повторюється структуру, щоб нести достатньо інформації і служити генетичним матеріалом. Але в кінці 1940-х років Е.Чаргафф в США і Дж.Уайатт в Канаді, використовуючи метод розподільної хроматографії на папері, показали, що структура ДНК не настільки проста і ця молекула може служити носієм генетичної інформації.
Структура ДНК була встановлена в 1953 М.Уілкінсом, Дж.Уотсоном і Ф. Криком в Англії. Це фундаментальне відкриття дозволило зрозуміти, як відбувається подвоєння (реплікація) нуклеїнових кислот. Незабаром після цього американські дослідники А.Даунс і Дж.Гамов припустили, що структура білків якимось чином закодована в нуклеїнових кислотах, а До 1965 ця гіпотеза була підтверджена багатьма дослідниками: Ф. Криком в Англії, М. Ніренберг і С.Очоа в США, Х.Кораной в Індії. Всі ці відкриття, результат сторічного вивчення нуклеїнових кислот, зробили справжню революцію в біології. Вони дозволили пояснити феномен життя в рамках взаємодії між атомами і молекулами.
Бактерії і ціанобактерії (синьо-зелені водорості) містять замість хромосом одну або дві великі молекули ДНК, пов'язані з невеликою кількістю білка, і часто - молекули ДНК меншого розміру, так звані плазміди. Плазміди несуть корисну генетичну інформацію, наприклад містять гени стійкості до антибіотиків, але для життя самої клітини вони неістотні.
Деяка кількість РНК присутня в клітинному ядрі, основна ж її маса знаходиться в цитоплазмі - рідкому вмісті клітини. Б більшу її частину становить рибосомная РНК (рРНК). Рибосоми - це дрібні тільця, на яких йде синтез білка. Невелика кількість РНК представлено транспортної РНК (тРНК), яка також бере участь в білковому синтезі. Однак обидва ці класу РНК не несуть інформації про структуру білків - така інформація міститься в матричної, або інформаційної, РНК (мРНК), на частку якої припадає лише невелика частина сумарної клітинної РНК.
Генетичний матеріал вірусів представлений або ДНК, або РНК, але ніколи обома одночасно.
Молекули нуклеїнових кислот містять безліч негативно заряджених фосфатних груп і утворюють комплекси з іонами металів; їх калієва і натрієва солі добре розчинні у воді. Концентровані розчини нуклеїнових кислот дуже в'язкі і злегка опалесцентну, а в твердому вигляді ці речовини білі. Нуклеїнові кислоти сильно поглинають ультрафіолетове світло, і це властивість лежить в основі визначення їх концентрації. З цим же властивістю пов'язаний і мутагенний ефект ультрафіолетового світла.
Довгі молекули ДНК крихкі і легко ламаються, наприклад при продавлюванні розчину через шприц. Тому робота з високомолекулярними ДНК вимагає особливої обережності.
Хімічна структура. нуклеїнові кислоти # 61485; це довгі ланцюжки, що складаються з чотирьох багаторазово повторюваних одиниць (нуклеотидів). Їх структуру можна представити таким чином:
Символ Ф позначає фосфатну групу. Чергуються залишки цукру і фосфорної кислоти утворюють сахарофосфатний остов молекули, однаковий у всіх ДНК, а величезна їх різноманітність обумовлюється тим, що чотири азотистих підстави можуть розташовуватися уздовж ланцюга в самій різній послідовності.
Цукром в нуклеїнових кислотах є пентоза; чотири з п'яти її вуглецевих атомів разом з одним атомом кисню утворюють кільце. Атоми вуглецю пентози позначають номерами від 1 # 61602; до 5 # 61602 ;. У РНК цукор представлений рибозой, а в ДНК # 61485; дезоксирибозою, що містить на один атом кисню менше. Фрагменти полінуклеотидних ланцюгів ДНК і РНК показані на малюнку.
Оскільки фосфатні групи приєднані до цукру асиметрично, в положеннях 3 # 61602; і 5 # 61602 ;, молекула нуклеїнової кислоти має певний напрям. Складноефірні зв'язку між мономірні одиницями нуклеїнових кислот чутливі до гідролітичного розщеплення (ферментативному або хімічному), яке призводить до вивільнення окремих компонентів у вигляді невеликих молекул.
Азотисті основи - це плоскі гетероциклічні сполуки. Вони приєднані до пентозному кільцю по положенню 1 # 61602 ;. Більші підстави мають два кільця і називаються пуринами: це аденін (А) і гуанін (Г). Підстави, менші за розмірами, мають одне кільце і називаються піримідину: це цитозин (Ц), тимін (Т) і урацил (У). У ДНК входять підстави А, Г, Т і Ц, в РНК замість Т присутній У. Останній відрізняється від тиміну тим, що у нього відсутня метильная група (CH3). Урацил зустрічається в ДНК деяких вірусів, де він виконує ту ж функцію, що і тимін.
Тривимірна структура. Важливою особливістю нуклеїнових кислот є регулярність просторового розташування складових їх атомів, встановлена рентгеноструктурньїм методом. Молекула ДНК складається з двох протилежно спрямованих ланцюгів (іноді містять мільйони нуклеотидів), утримуваних разом водневими зв'язками між основами:
Обидва ланцюги ДНК закручені по спіралі щодо уявної осі, як ніби вони навито на циліндр. Ця структура називається подвійною спіраллю. На кожен виток спіралі доводиться десять пар основ.
Правило комплементарності. Уотсон і Крик показали, що утворення водневих зв'язків і регулярної подвійної спіралі можливо тільки тоді, коли більша пуриновое підставу аденін (А) в одного ланцюга має своїм партнером в іншому ланцюзі менше за розмірами пиримидиновое підставу тимін (Т), а гуанін (Г) пов'язаний з цитозином (Ц). Цю закономірність можна представити таким чином:
Структура РНК менш впорядкована. Зазвичай це одноцепочечная молекула, хоча РНК деяких вірусів складається з двох ланцюгів. Але навіть така РНК більш гнучка, ніж ДНК. Деякі ділянки в молекулі РНК взаємно комплементарні і при згинанні ланцюга спаровуються, утворюючи дволанцюжкові структури (шпильки). В першу чергу це відноситься до транспортних РНК (тРНК). Деякі підстави в тРНК піддаються модифікації вже після синтезу молекули. Наприклад, іноді відбувається приєднання до них метильних груп.
Функція нуклеїнових кислот
Реплікація і транскрипція. З хімічної точки зору синтез нуклеїнової кислоти - це полімеризація, тобто послідовне приєднання будівельних блоків. Такими блоками служать нуклеозидтрифосфат; реакцію можна представити таким чином:
Енергія, необхідна для синтезу, вивільняється при відщепленні пірофосфату, а каталізують реакцію особливі ферменти - ДНК-полімерази.
В результаті такого синтетичного процесу ми отримали б полімер з випадковою послідовністю підстав. Однак більшість полимераз працює тільки в присутності вже існуючої нуклеїнової кислоти -матриці, яка диктувала, який саме нуклеотид приєднається до кінця ланцюга. Цей нуклеотид повинен бути комплементарен відповідному нуклеотиду матриці, так що нова ланцюг виявляється комплементарної вихідної. Використовуючи потім комплементарную ланцюг в якості матриці, ми отримаємо точну копію оригіналу.
ДНК складається з двох взаємно комплементарних ланцюгів. В ході реплікації вони розходяться, і кожна з них служить матрицею для синтезу нового ланцюга:
Так утворюються дві нові подвійні спіралі з тією ж послідовністю підстав, що і у вихідній ДНК. Іноді в процесі реплікації відбувається «збій», і виникають мутації.
В результаті транскрипції ДНК утворюються клітинні РНК (мРНК, рРНК і тРНК):
Вони комплементарні однієї з ланцюгів ДНК і є копією іншого ланцюга, за винятком того, що місце тиміну у них займає урацил. Таким способом можна отримати безліч РНК-копій однієї з ланцюгів ДНК.
У нормальній клітині передача інформації здійснюється тільки в напрямку ДНК # 61614; ДНК і ДНК # 61614; РНК. Однак в клітинах, інфікованих вірусом, можливі й інші процеси: РНК # 61614; РНК і РНК # 61614; ДНК. Генетичний матеріал багатьох вірусів представлений молекулою РНК, зазвичай одноцепочечной. Проникнувши в клітину-господаря, ця РНК реплицируется з утворенням комплементарної молекули, на якій, в свою чергу, синтезується безліч копій вихідної вірусної РНК:
Вірусна РНК може транскрибуватися ферментом # 61485; зворотного транскриптазой # 61485; в ДНК, яка іноді включається в хромосомну ДНК клітини-господаря. Тепер ця ДНК несе вірусні гени, і після транскрипції в клітині може з'явитися вірусна РНК. Таким чином, через тривалий час, протягом якого ніякого вірусу в клітці не виявляється, він знову в ній з'явиться без повторного зараження. Віруси, генетичний матеріал яких включається в хромосому клітини-господаря, часто є причиною раку.
Трансляція нуклеїнових кислот в білки. Генетична інформація, закодована в нуклеотидної послідовності ДНК, перекладається не тільки на мову нуклеотидноїпослідовності РНК, а й на мову амінокислот - мономірних одиниць білків.
Білкова молекула - це ланцюжок з амінокислот. Кожна амінокислота містить кислу карбоксильну групу -COOH і осн вную аминогруппу
-NH2. Карбоксильная група однієї амінокислоти зв'язується з аминогруппой інший, утворюючи амидную зв'язок, і цей процес триває, поки не утвориться ланцюг, що містить до 1000 амінокислот.
У білках присутній 20 різних амінокислот, від послідовності яких залежать їх природа і функції. Ця послідовність визначається нуклеотидної послідовністю відповідного гена - ділянки ДНК, що кодує даний білок. Однак сама ДНК не є матрицею при синтезі білка. Спочатку вона транскрибується в ядрі з утворенням матричної РНК (мРНК), яка дифундує в цитоплазму, і на ній як на матриці синтезується білок. Процес прискорюється завдяки тому, що на кожній молекулі мРНК може одночасно синтезуватися безліч білкових молекул.
Кожна тРНК містить специфічну послідовність з трьох підстав, антикодон, який комплементарний групі з трьох підстав, кодону, в мРНК. Антикодон взаємодіють з кодонами за правилом комплементарності, приблизно так само, як взаємодіють два ланцюги ДНК. Таким чином, послідовність підстав в мРНК визначає порядок приєднання тРНК, що несуть амінокислоти. Схематично перенесення інформації від ДНК до білка можна представити таким чином:
Послідовність підстав в ДНК задає порядок проходження амінокислот у білку, оскільки кожна амінокислота приєднується специфічним ферментом тільки до певних тРНК, а ті, в свою чергу, - тільки до певних кодонам в мРНК. Комплекси тРНК-амінокислота зв'язуються з матрицею по одному в кожен даний момент часу. Нижче перераховані основні етапи білкового синтезу (див. Також малюнок).
1. Ферменти, звані аміноацил-тРНК-синтетазами, приєднують амінокислоти до відповідних тРНК. Таких ферментів 20, по одному для кожної амінокислоти.
2. Молекула мРНК приєднується своїм першим кодоном до невеликої частки, званої рибосомою. Рибосоми складаються з приблизно рівних кількостей рРНК і білка. Структура і функція рибосом дуже складні, але головне їхнє завдання - полегшення взаємодії мРНК і тРНК і прискорення полімеризації амінокислот, пов'язаних з різними тРНК.
3. тРНК, навантажена амінокислотою, зв'язується з відповідним кодоном мРНК, яка, в свою чергу, контактує з рибосомою. Утворюється комплекс рибосома-мРНК-тРНК-амінокислота.
4. мРНК, подібно до стрічки на конвеєрі, просувається по рибосоми на один кодон вперед.
5. Наступна тРНК, навантажена амінокислотою, приєднується до другого кодону.
6. Перша і друга амінокислоти зв'язуються між собою.
7. Перша тРНК від'єднується від комплексу, і тепер друга тРНК несе дві амінокислоти, пов'язані між собою.
8. мРНК знову просувається на один кодон вперед, і всі події повторюються, а зростаюча аминокислотная ланцюг подовжується на одну амінокислоту. Процес триває, поки не буде досягнутий останній, «стоп» -кодон і остання тРНК не відійде від готової білкової ланцюга. У бактеріальних клітинах ланцюг з 100-200 амінокислот збирається за кілька секунд. У тваринних клітинах цей процес займає близько хвилини.
Генетичний код. Отже, кожна амінокислота в білку опосередковано детермінується певним кодоном (групою з 3 підстав) в мРНК і в кінцевому рахунку в ДНК. Оскільки в нуклеїнових кислотах є чотири види підстав, число можливих кодонів становить 4 # 61620; 4 # 61620; 4 = 64. Відповідність між кодонами і амінокислотами, які вони кодують, називається генетичним або біологічним кодом. Це відповідність було встановлено дослідним шляхом: до зруйнованим клітинам додавали синтетичні полінуклеотіди відомого складу і дивилися, які амінокислоти включаються в білки. Пізніше з'явилася можливість прямо порівняти послідовності амінокислот в вірусних білках і підстав в вірусних нуклеїнових кислотах. Надзвичайно цікаво, що генетичний код, за рідкісними винятками, однаковий для всіх організмів - від вірусів до людини. Одне з таких винятків складають зміни в генетичному коді, що використовується мітохондріями. мітохондрії # 61485; це невеликі автономні субклітинні частки (органели), присутні у всіх клітинах, крім бактерій і зрілих еритроцитів. Припускають, що