Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты- сложные полимеры биологического происхождения. Они разделяются на две группы: дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеи­новые кислоты (РНК). Различие между этими группами кислот заключается, в том что в состав ДНК входит в качестве фрагментов полимерной цепи 2-D-дезоксирибоза, а в РНК в качестве фрагментов цепи входит D-рибоза. В качестве фрагментов макромолекулы, являющихся ответвлениями от полимерной цепи выступают пуриновые и пиримидино-вые основания. В ДНК это аденин, гуанин, цитозин и тимин, а в РНК аденин, гуанин, ци-тозин и урацил. Следует отметить, что в состав ДНК микроорганизмов входят и другие азотистые основания, впрочем не сильно отличающиеся (на группы СН₃-и -СН₂ОН).

Полимерная цепь ДНК построена следующим образом: за счет отрыва протона от гидроксилов в положениях 5' и 3' дезоксирибозы и гидроксилов от фосфорной кисло­ты с выделением воды (т.е. это поликонденсация) образуется полимерная цепь. Азоти­стые основания (АО) в образовании полимерной цепи не участвуют. Ниже представлена схема образования фрагмента макромолекулы ДНК из нуклеотидов:

 

 

 

 

Прямоугольником выделено многократно повторяющееся элементарное звено, которым, как видно, является остаток нуклеотида. В нём в качестве азотистого осно­вания может быть один из четырех остатков: аденина, гуанина, цитозина или тимина.

 

РНК построена аналогично. Ниже приведен участок полимерной цепи РНК. Элементарным звеном в этой цепи, то есть многократно повторяющимся участком является нуклеотид, включающий в себя остатки ортофосфорной кислоты, рибофуранозы и одного из следующих оснований: аденина, гуанина, цитозина или урацила:

 

 

Когда из биологических тканей были выделены нуклеиновые кислоты и проведе­ны работы по изучению состава и строения нуклеиновых кислот, то обнаружились сле­дующие закономерности:

1) Молярное содержание аденина равно молярному содержанию тимина.

2) Молярное содержание гуанина равно молярному содержанию цитозина.

3) Суммарное молярное содержание пуриновых нуклеотидов равно суммарному со­
держанию пиримидиновых нуклеотидов.

4) Суммарное молярное содержание нуклеотидов, имеющих в положении 6 и 4 амино­
группу, равно суммарному молярному содержанию нуклеотидов, имеющих в поло­
жении 6 и 4 карбонильную группу.

С учётом установленных закономерностей и на основании данных рентгено-структурного анализа и спектральных данных Уотсон и Крик в 1953 году создали модель пространственной конфигурации ДНК. Эта модель совмещает простоту и удивительную стройность и до самого последнего времени согласуется с новыми экспериментальными данными. Согласно модели Уотсона и Крика молекула ДНК состоит из двух полинуклео-тидных цепей, имеющих в качестве первичной структуры цепь из чередующихся фраг­ментов молекул 2-D-дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Две такие цепи обвиваются вокруг общего цилиндра с одинаковым шагом винтовой линии.

 

При этом одна ветвь от­стаёт от другой на полшага. Получается как бы «двухзаходная резьба» (как на импортных шурупах). Гетероциклические основания при этом обращены внутрь цилиндра и могут поворачиваться вокруг C-N гликозидной связи (а возможно и вокруг связи О-С₃ и О-С₃' дезоксирибозного фрагмента) так, что азотистые основания оказываются в одной плоско­сти. Упомянутые выше экспериментальные данные (пункты а-г) позволили Уотсону и Крику предположить, что в одну плоскость могут попасть только соответствующие друг другу по расположению амино- и карбонильных групп пуриновое с одной стороны и пиримидиновое с другой стороны основания. Такие основания называются комплементар­ными, то есть взаимно дополняющими. Нетрудно догадаться, что каждый гуанин должен быть комплементарен цитозину, так как будучи в одной плоскости и расположившись определённым образом они образуют три водородных связи:

 

 

 

Аналогично для пары - аденин-тимин, но образуются только две водородные связи:

 

 

 

Получается две цепи сцепленные «тяжами» из азотистых оснований, связанных довольно прочно (Г-Ц=60-80 кДж/моль; А-Т=40-56 кДж/моль)

 

Небольшой фрагмент ДНК можно схематически изобразить так:

 

Фрагмент ДНК часто изображают в виде двух спиралей скреплённых тяжами из комплементарных азотистых оснований. Расстояние между плоскостями двух соседних слоев, состоящих из оснований составляет 3,4 Ả, что очень близко к расстоянию между слоями в графите - 3,35 Ả. Один виток - 34 Ả, в нем уложено десять слоев из комплемен­тарных азотистых оснований. Угол поворота между линиями, соединяющими места при­крепления азотистых оснований к дезоксирибозе (атомы С³ рибозы одной и другой вет­ви) составляет 360°. Диаметр цилиндра около 20 Ả. Считается, что 11 Ả из них занимает

34А

плоская система комплементарной пары А-Т или Г-Ц. Остальные
4,5 (20-11=9) Ả, по-видимому занимают остатки дезоксирибозы и
фосфорной кислоты, расположенные под углом как к оси цилиндра,
так и к воображаемым линиям, соединяющим атомы углерода (С¹) в
остатках дезоксирибозы с двух сторон от комплементарных азоти­стых оснований. '

3,4А

Схема, двух- спиральной структуры ДНК (модель Уотсона и Крика Крика).

Первый угол обеспечивает подъём по винтовой линии, а второй уменьшает размеры цилиндра. Не будь этого угла поворота, то есть, если бы оба фрагмента дезоксирибозы (их размер ~3 Ả) лежали в той же плоскости, что и азотистые основания, то диаметр цилиндра был бы на много больше: (3+5) *2=1б Ả 16+11=27 Ả. Тот и другой углы обеспечиваются валентным углом между плоскостью гетероцикла и плоскостью фуранозного кольца дезоксирибозы, а также поворотом этой плоскости вокруг связи N³⁽⁹⁾-C.

Число нуклеотидньгх единиц в цепи ДНК составляет от 3 000 до 10 000 000.Это означает, что молекулярная масса составит (аМ_А+ аМ_т + вМ_г + вМ_ц) 2n, где n - число нуклеотидных единиц, М_А, М_т, M_Г и М_Ц - молярные массы мононуклеотидов из аденина, тимина, гуанина и цитозина соответственно. Коофициенты а и b - доли (от едини­цы) тех или иных нуклеотидов. Доля заметно колеблется для различных ДНК. Так, на­пример, соотношение (Г+Ц) / (А+Т) колеблется для разных видов, (см. Таблицу 1)

Молярная масса большинства известных ДНК составляет от 4 до 16 миллионов, а для некоторых фагов 150 миллионов г/моль.

ДНК хорошо растворяется в воде, в слабых и даже крепких солевых растворах, образуя вязкую бесцветную жидкость. Она осаждается 2-3 объёмами 96% этанола, обра­зуя студнеобразный или волокнистый осадок. ДНК денатурируется при нагревании вод­ных растворов до 100°С, при подкислении до рН = 1-2 или подщелачивании выше рН = 10-12. При кислотном гидролизе от ДНК отщепляются пуриновые основания: аденин и гуанин. При нагревании с гидразином, наоборот, разрушаются пиримидиновые основа­ния: цитозин и тимин. При действии на ДНК фермента дезоксирибонуклеазы происходит гидролиз фосфорноэфирных связей ДНК и она разбивается на нуклеотиды (моно). При помоши ферментов поджелудочной железы удаётся получить смесь тетра-, три- и динук Роль ДНК в организме состоит (по меньшей мере) в следующем. С помощью оп­ределённого кода на каждой из ветвей ДНК записывается вся наследственная информа­ция. Эта информация потом считывается с помощью построения РНК комплементарной , участкам каждой ветви ДНК. На РНК как на матрице строится белок. Установлено, на­пример, что сочетанию в цепи РНК трёх последовательно расположенных урацилов в белке соответствует фенилаланин. То есть, если взять раствор смеси аминокислот и по­местить в этот же сосуд полинуклеотид, состоящий только из уридинмонофосфатов, то быстро при комнатной температуре синтезируется белок, состоящий только из фенилала- нина, а все остальные аминокислоты, останутся в растворе свободными даже если их концентрации были больше, чем концентрация фенилаланина у каждой. Таким образом нуклеиновые кислоты абсолютно селективные катализаторы поликонденсации аминокис­лот. РНК является той матрицей, на которой идёт синтез белка.

ДНК в клетках живых организмов не распределена равномерно (диффузно), а ор­ганизована в особые структуры, связанные с передачей наследственных свойств. Эти структуры составляют основу так называемого ядерного вещества клеток - хроматина. Они представлены в виде хромосом и у высших организмов локализованы в клеточном ядре, а у большинства бактерий и других низших организмов в протоплазме, в виде нук-леидов. Хромосома представляет собой единый комплекс, состоящий из ДНК и молекул белка.

 

Таблица 1

Вид	Показатели специфичности
В ДНК: Г + Ц / А + Т	В РНК: Г + Ц / А + У
Животные:
Крыса 0,79 1,66 Морской ёж 0,62 1,30 Тутовый шелкопряд 0,79 0,99 Высшие растения: Фасоль 0,69 1,25 Лук 0,58 1,20 Сосна 0,65 1,04
Грибы: Шампиньон Аспергилл	0,80 1,00	1,01 1,23
Бактерии:Туберкулёзная палочка Тифозная бактерия Стафилококк	2,08 1,13 0,53	1,45 1,21 1,05
Вирусы: Табачной мозаики Желтой мозаики репы		0,78 1,23

 

Генетическая роль ДНК (впервые доказана экспериментально ещё в 1944 году) связана с двумя процессами:

1) точным воспроизведением самой себя, то есть способностью к редупликации
(самоудвоению). Это необходимо для того, чтобы у потомков была точно такая же
ДНК, как у родительских клеток;

2) определяющим влиянием на обмен веществ в клетке и, следовательно, на её биоло­-
гические свойства. Это влияние ДНК не является прямым и непосредственным, а
идёт различными путями через белковый синтез.