Структура нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты построены как продукты поликонден-сации более простых компонентов - нуклеотидов. Нуклеотиды - это повторяющиеся фрагменты нуклеиновых кислот, как аминокислоты - белков. Между собой нуклеотиды в нуклеиновых кислотах связы-ваются через остаток фосфорной кислоты. (Остатки моносахаридов и фосфорной кислоты выполняют структурную функцию и являются носителями оснований). Последовательность оснований в полинук-леотидной цепи - содержит генетическую информацию.

Первичная структура нуклеиновых кислот определяется приро-дой и последовательностью нуклеотидных звеньев, связанных слож-ноэфирными связями между пентозами и фосфатными групппами.

Согласно вторичной структуре полинуклеотидная цепь представляет собой двойную спираль, в которой пуриновые и пиримидиновые основания направлены внутрь. Между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой имеются водородные связи, стабилизирующие такую структуру. Основания, образующие пары, связанные водородными связями, называются комплементарными. В ДНК комплементарными будут: аденин-тимин, образующие между собой две водородные связи, и гуанин-цитозин, связанные тремя водородными связями.

Это означает, что пуриновым основаниям аденину и гуанину в одной цепи будут соответствовать пиримидиновые основания тимин и цитозин в другой цепи. Полинуклеотидные цепи, образующие двойную спираль, не идентичны, но комплементарны между собой. Нуклеотидный состав ДНК подчиняется правилу Э. Чаргаффа: количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых оснований; количество аденина равно количеству тимина; количество гуанина равно количеству цитозина; сумма аденина и цитозина равна сумме гуанина и тимина. Для РНК правило Чаргаффа либо не выполняется, либо выполняется с некоторым приближением.

Комплементарность цепей и последовательность звеньев состав-ляют химическую основу важнейших функций нуклеиновых кислот: ДНК - хранение и передача наследственной информации, а РНК - непосредственное участие в биосинтезе белка.

В 1953 г. американский ученый Дж. Уотсон и английский ученый Ф. Крик предложили модель пространственной структуры молекулы ДНК. Молекула ДНК, в отличие от молекулы РНК, в большинстве случаев состоит из двух комплементарных взаимо-закрученных цепей. В полный виток каждой спирали укладывается около десяти нуклеотидных единиц. В зависимости от длины витка и угла спирали, а также ряда других ее геометрических параметров, различают более десяти разнообразных упорядоченных спиральных структур ДНК. В стабилизации этих структур наряду с водородными связями, действующими поперек спирали, большую роль играют межмолекулярные взаимодействия, направленные вдоль спирали между соседними пространственно сближенными азотистыми основаниями. Поскольку эти взаимодействия направлены вдоль стопки азотистых оснований молекулы ДНК, их называют стэкинг-взаимодействиями. Таким образом, взаимодействия азотистых оснований между собой скрепляют двойную спираль молекулы ДНК и вдоль, и поперек ее оси.

Рис. Первичная структура цепи ДНК.

Принцип построения цепи РНК такой, как и у ДНК, с двумя исключениями: пентозным остатком в РНК служит D-рибоза, а в наборе гетероциклических оснований используется не тимин, а урацил. Полимерная цепь РНК приблизительно в десять раз короче, чем у ДНК. Дополнительное отличие заключается в том, что молекулы РНК не объединяются в двойные спирали, состоящие из двух молекул, а обычно существуют в виде одиночной молекулы, которая на некоторых участках может образовывать сама с собой двухцепные спиральные фрагменты, чередующиеся с линейными участками.

Установление нуклеотидного состава, как правило, осущест-вляют путем исследования продуктов гидролитического расщепления нуклеиновых кислот. ДНК и РНК различаются поведением в условиях щелочного и кислотного гидролиза. ДНК устойчивы к гидролизу в щелочной среде. РНК легко гидролизуются в мягких условиях в щелочной среде до нуклеотидов, которые способны в щелочной среде отщепить остаток фосфорной кислоты с образова-нием нуклеозидов. Нуклеозиды в кислой среде гидролизуются до гетероциклических оснований и углеводов.

Двойная спираль молекул ДНК существует в виде линейной, кольцевой, суперкольцевой и компактных клубковых форм, что представляет собой третичную структуру нуклеиновых кислот. Между этими формами совершаются взаимные переходы при дейст-вии особой группы ферментов - топоизомераз, изменяющих прост-ранственное строение.

Нуклеотиды имеют большое значение не только как строитель-ный материал для нуклеиновых кислот. Они участвуют в биохимии-ческих процессах, и особенно важны в роли коферментов, т.е. веществ, тесно связанных с ферментами и необходимых для проявле-ния ферментативной активности, а также источников энергии.