Глава V. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

 

§ 13. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ:

 ФУНКЦИИ И СОСТАВ

 

Общие представления о нуклеиновых кислотах

Нуклеиновые кислоты – важнейшие  биополимеры с относительной молекулярной массой, достигающей 5·10⁹. Они содержатся во всех без исключения живых организмах и являются не только хранителем и источником генетической информации, но и выполняют ряд других жизненно важных функций. Нуклеиновые кислоты – это полимеры, мономерными звеньями которых являются нуклеотиды.

Существует два различных типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК). ДНК представляет собой генетический материал большинства организмов. В клетках прокариот, кроме основной хромосомной ДНК, часто встречаются внехромосомные ДНК – плазмиды. В эукариотических клетках основная масса ДНК расположена в клеточном ядре, где она связана с белками в хромосомах. Клетки эукариот содержат ДНК также в митохондриях и хлоропластах.

Интересно знать! Молекулы ДНК – самые крупные молекулы. Молекула ДНК E.coli состоит примерно из 4000000 пар нуклеотидов, ее относительная масса равна 26000000000, а длина - 1,4 мм, что в 700 раз превышает размеры ее клетки. Молекулы ДНК эукариот могут достигать еще больших размеров, их длина может составлять несколько см, а относительная масса 10¹⁰-10¹¹. Чтобы записать нуклеотидную последовательность ДНК человека, потребуется около 1000000 страниц.

 

Что же касается РНК, то по выполняемым ими функциям  различают:

1. информационные РНК (иРНК)  - в них записана информация о первичной структуре белка;

2. рибосомные РНК (рРНК)  -  входят в состав рибосом;

3. транспортные РНК (тРНК)  - обеспечивают доставку аминокислот к месту синтеза белка.

В качестве генетического материала РНК входят в состав ряда вирусов. Например, вирусы, вызывающие такие опасные заболевания, как грипп и СПИД, являются РНК-содержащими.

Нуклеиновые кислоты могут быть линейными и кольцевыми (ковалентно замкнутыми). Они могут состоять из одной или двух цепей. Ниже приведена схема, отражающая существование в природе различных типов нуклеиновых кислот:

 

Функции нуклеиновых кислот

Нуклеиновым кислотам присущи три важнейшие функции: хранение, передача и реализация генетической информации. Кроме этих, они выполняют и другие функции, например, участвуют в катализе некоторых химических реакций, осуществляют регуляцию реализации генетической информации, выполняют структурные функции и др. Роль хранителя генетической информации у большинства организмов (эукариот, прокариот, некоторых вирусов) выполняют двухцепочечные ДНК. Только у некоторых вирусов хранителем генетической информации являются одноцепочечные ДНК или одноцепочечные, а также двухцепочечные РНК. Генетическая информация записана в генах. Ген по своей природе является участком нуклеиновой кислоты. В них закодирована первичная структура белков. Гены могут также нести информацию о структуре некоторых типов РНК, например, тРНК и рРНК.

Генетическая информация передается от родителей к потомкам. Этот процесс  связан с удвоением нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), выполняющей функцию  хранителя генетической информации,  и последующей передачи ее потомкам. Например, в результате деления дочерние клетки получают от материнской идентичные молекулы ДНК, а следовательно, и идентичную генетическую информацию (рис. 38). При размножении вирусы также передают дочерним вирусным частицам  точные копии нуклеиновой кислоты. При половом размножении потомки получают генетическую информацию от обоих родителей. Вот почему дети наследуют признаки обоих родителей.

Рис. 38. Распределение ДНК при делении клетки

 

В результате реализации генетической информации происходит синтез белков, закодированных в ДНК в виде генов (или для некоторых вирусов – в РНК). В этом процессе информация о первичной структуре белка  переписывается с молекулы ДНК на иРНК и затем расшифровывается на рибосомах при участии тРНК. В итоге образуется белок:

ДНК  РНК  белок.

 

Состав нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты представляют собой полимеры, построенные из нуклеотидов, соединенных между собой фосфодиэфирными связями. Каждый нуклеотид состоит из остатков азотистого основания, пентозы и фосфорной кислоты.

Различают пиримидиновые и пуриновые основания, называемые также  соответственно пиримидины и пурины.  Пиримидиновые основания являются производными пиримидина:

пуриновые основания – производными  пурина:

К пиримидинам относятся урацил, тимин и цитозин, к пуринам – аденин  и гуанин:

В состав ДНК входят тимин, цитозин, аденин и гуанин, в состав РНК – те же основания, только вместо тимина входит урацил. Кроме азотистых оснований, нуклеиновые кислоты содержат пентозы: ДНК – D-дезоксирибозу, а РНК – D-рибозу. Углеводы находятся в виде b-аномера фуранозной формы:

Азотистое основание связывается с углеводом за счет гликозидного гидроксила. Образуется нуклеозид. Схематически образование нуклеозида можно изобразить так:

В состав нуклеиновых кислот входят 8 нуклеозидов, 4 – в состав РНК и 4 – в состав ДНК (рис. 39).

Нуклеозиды, входящие в состав РНК:

Нуклеозиды, входящие в состав ДНК:

 Рис. 39. Нуклеозиды

 

Нуклеозид, связанный с остатком фосфорной кислоты, называется нуклеотидом:

 При этом остаток фосфорной кислоты может быть связан с 3’- или 5’- атомом углерода: 

Сокращенно аденозин-5’-монофосфат обозначается как АМФ. Если нуклеотид образован дезоксорибозой, аденином и одним остатком фосфорной кислоты, то он будет носить название дезоксиаденозинмонофосфат, или сокращенно дАМФ. В таблице 5 представлена номенклатура нуклеотидов.

 Таблица  5.

 Номенклатура нуклеотидов, образующих ДНК и РНК 

Азотистое основание	Нуклеозид	Нуклеотид
		полное название	сокращенное название
Аденин	Аденозин Дезоксиаденозин	Аденозинмонофосфат Дезоксиаденозинмонофосфат	АМФ дАМФ
Гуанин	Гуанозин Дезоксигуанозин	Гуанозинмонофосфат Дезоксигуанозинмонофосфат	ГМФ дГМФ
Цитозин	Цитидин Дезоксицитидин	Цитидинмонофосфат Дезоксицитидинмонофосфат	ЦМФ дЦМФ
Урацил	Уридин	Уридинмонофосфат	УМФ
Тимин	Дезокситимидин	Дезокситимидинмонофосфат	дТМФ

 

К нуклеозидмонофосфатам (НМФ) и дезоксинуклеозидмонофосфатам (дНМФ) могут присоединиться еще 1 или 2 остатка фосфорной кислоты. При этом образуются нуклеозиддифосфаты (НДФ), дезоксинуклеозиддифосфаты (дНДФ) или нуклеозидтрифосфаты (НТФ) и дезоксинуклеозидтрифосфаты (дНТФ). 

 НТФ и дНТФ служат субстратами для синтеза РНК и ДНК соответственно.