НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Химический состав, строение, классификация, функциональное значение нуклеиновых кислот

Молекула нуклеиновой кислоты является полинуклеотидом, состоящим из очень большого числа мононуклеотидов. Мононуклеотиды, в свою очередь, при гидролизе расщепляются на азотистые основания (пуриновые или пиримидиновые), углевод – пентозу (рибозу или дезоксирибозу) и фосфорную кислоту.

Наиболее важными из входящих в состав нуклеотидов (а значит - и нуклеиновых кислот) пуриновых оснований является аденин и гуанин (производные бициклического гетероцикла – пурина).

Кроме того, в составе нуклеиновых кислот найдено большое число так называемых минорных оснований – метилированных производных аденина и гуанина.

Помимо пуриновых оснований при гидролизе мононуклеотидов могут освобождаться пиримидиновые основания: урацил, тимин, цитозин, а иногда метилцитозин и 5-оксиметилцитозин и др. минорные производные пиримидина.

Наряду с азотистыми основаниями в мононуклеотидах находятся углеводы (рибоза или 2’-дезоксирибоза), которые в составе нуклеиновых кислот представлены в виде β, D-рибофуранозной формы.

Пуриновые или пиримидиновые основания, рибоза или дезоксирибоза и фосфорная кислота связаны в молекулах нуклеотидов совершенно одинаково.

Пентоза своим 1-м углеродным атомом всегда соединяется с соответствующим пуриновым основанием – по его 9-му атому азота, а с пиримидиновым – по 1-му атому азота. Пентозы соединены с основаниями через β-гликозидные связи.

Пентоза с фосфорной кислотой соединена эфирной связью. В случае наличия в нуклеотиде дезоксирибозы сложноэфирная связь образуется с фосфорной кислотой в 3’- и 5’-положениях, а в случае наличия рибозы может быть в 2’, 3’, и 5’-положениях. Следует обратить внимание на то, что нуклеотиды, встречающиеся в клетке в свободной форме, содержат фосфатную группу преимущественно в 5’-положении. Известны также циклические монофосфаты аденозина (3’, 5’-АМФ) и циклические монофосфаты гуанозина (3’, 5’-ГМФ).

Во избежание путаницы с соответствующей нумерацией атомов пуриновых или пиримидиновых основаниях углеродные атомы в пентозе нумеруют со штрих-значком (прим-положение).

Нуклеотиды, содержащие рибозу, называются рибонуклеотидами, включающие дезоксирибозу – дезоксирибонуклеотидами.

При отщеплении от нуклеотида остатка фосфорной кислоты образуется соединение, получившее названия нуклеозида. Нуклеотиды можно рассматривать как фосфорные эфиры нуклеозидов. Поэтому названия нуклеотидов (рибонуклеотидов и дезоксирибонуклеотидов) слагается из названия соответствующего нуклеозида и фосфорной кислоты. Так как нуклеозидфосфаты (нуклеотиды) обладают довольно сильными кислотными свойствами, то их часто называют соответствующими кислотами.

К числу рибонуклеотидов, входящих в состав РНК, относят:

- цитидинмонофосфат (ЦМФ) или цитидинмонофосфорная кислота или цитидиловая кислота;

- уридинмонофосфат (УМФ) или уридинмонофосфорная кислота или уридиловая кислота;

- аденозинмонофосфат (АМФ) или аденозинмонофосфорная кислота или адениловая кислота;

- гуанозинмонофосфат (ГМФ) или гуанозинмонофосфорная кислота или гуаниловая кислота.

К числу дезоксирибонуклеотидов, входящих в состав ДНК, относят:

- дезоксицитидинмонофосфат (дЦМФ) или дезоксицитидин-монофосфорная кислота или дезоксицитидиловая кислота;

- дезокситимидинмонофосфат (дТМФ) или дезокситимидин-монофосфорная кислота или дезокситимидиловая кислота;

- дезоксиаденозинмонофосфат (дАМФ) или дезоксиаденозин-монофосфорная кислота или дезоксиадениловая кислота;

- дезоксигуанозинмонофосфат (дГМФ) или дезоксигуанозин-монофосфорная кислота или дезоксигуаниловая кислота.

В организме встречаются и другие нуклеотиды, не входящие в состав нуклеиновых кислот, которые играют особую роль в процессах обмена веществ, будучи связанными с теми или иными ферментами.

Строение этих нуклеотидов характеризуется тем, что фосфорная кислота присоединена в них к пятому углеродному атому пентозы и, кроме того, в нуклеотиде нередко имеется не один, а несколько остатков фосфорной кислоты.

Важнейшими представителями этой группы являются аденозинмонофосфорная кислота – АТФ, аденозиндифосфорная кислота – АДФ и аденозинтрифосфорная кислота – АТФ.

АТФ – это основной носитель химической энергии в клетке.

Все эти соединения в организме играют важную роль в обмене веществ и энергии, в частности, в биосинтезе белков (ГТФ), липидов (ЦТФ), углеводов (УТФ).

Существенную роль в обмене веществ играют также другие нуклеотиды и их производные. Никотинамидадениндинуклеотид (НАД), никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ), флавинмононуклеотид (ФМН) и флавинадениндинуклеотид (ФАД) являются переносчиками водорода в окислительно-восстановительных реакциях.

Коэнзим А (КоА), построенный по нуклеотидному принципу, играет ведущую роль в процессах активирования, переноса и обмена жирных кислот и др. процессах.

Циклические нуклеотиды (цАМФ и цГДФ) являются вторичными мессенджерами в процессах регуляции.

Нуклеиновые кислоты являются полинуклеотидами. Характерные для каждого вида нуклеиновых кислот мононуклеотиды, объединяясь в количестве нескольких сотен, а иногда и тысяч в единую молекулу, образует громадные полинуклеотидные цепи.

По составу входящих в нуклеиновые кислоты углеводов различают дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК), содержащую дезоксирибозу, и рибонуклеиновую кислоту (РНК), содержащую рибозу.

Помимо углеводного компонента ДНК и РНК отличаются по составу оснований. ДНК содержит, прежде всего, аденин, гуанин, цитозин и тимин; встречаются также метилцитозин (тимус) и 5-оксиметилцитозин (бактериофаги). В РНК присутствуют аденин, гуанин, цитозин и урацил. Особенно разительны различия этих двух кислот в содержании минорных пуриновых и пиримидиновых оснований (в РНК их значительно больше). Основания находятся в нуклеиновых кислотах в форме лактамов (в кетоформе).

Все мононуклеотиды расположены в молекуле нуклеиновой кислоты в строго определенном порядке, свойственном данному полинуклеотиду.

Нуклеотиды в молекуле нуклеиновых кислот связаны друг с другом фосфодиэфирной связью между третьим углеродным атомом пентозы одного нуклеотида и пятым углеродным атомом пентозы соседнего нуклеотида. Никаких разветвлений в цепях нуклеиновых кислот не обнаружено.

Как уже говорилось, в мононуклеотиде – структурной единице нуклеиновых кислот – имеется гликозидная связь, эфирная связь между пентозой и фосфорной кислотой и фосфодиэфирная связь между нуклеотидами. Все эти связи прочные, ковалентные и они создают первичную структуру нуклеиновых кислот, т.е. состав и порядок чередования нуклеотидных остатков в полинуклеотидной цепи нуклеиновых кислот.

Кроме первичной структуры нуклеиновые кислоты имеют вторичную и третичную структуры.

Вторичная структура первоначально была предложена для ДНК Уотсоном и Криком в 1953 г. В основу организации этой вторичной структуры ДНК легли установленные закономерности химического состава ДНК (так называемые правила Чаргаффа). Они гласят:

1. Молярное содержание в ДНК пуринов равно содержанию пиримидинов, а именно: содержание аденина равно содержанию тимина (А=Т) или А:Т=1, содержание гуанина – содержанию цитозина (Г=Ц) или Г:Ц = 1, суммарное содержание аденина и гуанина равно суммарному содержанию цитозина и тимина (А+Г = Ц+Т); (Ц+Т) / (А+Г)=1.

2. Количество аминогрупп, входящих в состав ДНК оснований аденина и цитозина, равно количеству 6-кетогрупп имеющихся там оснований гуанина и тимина, следовательно, Г+Т = А+Ц или (Г+Т) / (А+Ц) = 1.

Эти данные наряду с результатами рентгеноструктурных исследований способствовали формированию представлений о вторичной структуре ДНК, как двойной правовращающейся спирали.

Это представление предполагает наличие в ДНК двух антипараллельных комплементарных полинуклеотидных цепей спиральной формы, закрученных друг на друга. Каждая цепь представляет собой полинуклеотид, в котором фосфодиэфирной связью соединены друг с другом мононуклеотиды.

В цепи мононуклеотиды расположены таким образом, что азотистые основания их находятся внутри двойной спирали, а пентоза и фосфорная кислота – снаружи. Две параллельно идущие цепи, обвитые вокруг общей оси, связаны друг с другом своими азотистыми основаниями вдоль всей молекулы ДНК с помощью водородных связей (аденин и тимин – двумя, а гуанин и цитозин – тремя водородными связями). Водородные связи направлены от NH₂-группы аденина к кетогруппе тимина и от NH₂-группы гуанина к кетогруппе цитозина, от NH₂-группы цитозина к кетогруппе гуанина. Наконец, водородные связи имеются между двумя атомами азота в положениях 1 и 3 соответственно пуриновых и пиримидиновых оснований. Это приводит к тому, что последовательность расположения азотистых оснований в какой-либо одной их двух цепей может быть любая, но последовательность расположения азотистых оснований в другой цепи будет находиться в строгой зависимости от последовательности оснований первой цепи.

Пары аденин-тимин и гуанин-цитозин характеризуются избирательностью взаимодействия, т.е. являются комплементарными (дополнительными) друг к другу. Из этого следует, что макромолекула ДНК складывается из двух комплементарных друг к другу цепей, т.е. говорит о полном отражении последовательности нуклеотидов одной цепи в последовательности другой. Цепи не только комплементарны, но и антипараллельны, т.е. имеют противоположную полярность. Это означает, что межнуклеотидная связь в одной цепи имеет направление 5’→3’, а в другой - 3’→5’.

Большая роль в поддержании вторичной структуры биспиральных полинуклеотидов, наряду с водородными связями, отводится гидрофобным взаимодействиям.

Большинство типов РНК, в отличие от ДНК, имеет одноцепочечную структуру (исключение составляет РНК некоторых микроорганизмов и вирусов), однако, спаривание оснований может наступать и в этом случае внутри полинуклеотида, образуя так называемые «шпильки». Нить РНК закручивается сама на себя, образуя водородные связи между основаниями «аденин – урацил» и «гуанин-цитозин». Молекула РНК способна к обратимым изменениям формы, размеров, числа водородных связей в зависимости от ионной силы, значения рН, температуры раствора и т.д.

Помимо вторичной структуры различают также третичную структуру нуклеиновых кислот, характеризующуюся суперспирализацией с образованием сверхскрученной кольцевой структуры, структуры компактного клубка и др.. Это обеспечивает компактную упаковку огромной молекулы ДНК в хромосоме: вместо 8 см длины, которую она могла бы иметь в вытянутой форме, в хромосоме человека она настолько плотно упакована, что ее длина составляет 5 нм.

При определенных условиях (температуры, величины рН и др.) происходит разрушение третичной и вторичной структуры ДНК. Это явление получило название денатурации нуклеиновых кислот.

Денатурация – такое же характерное явление для нуклеиновых кислот, как и для белков, и также сопровождается изменениями их свойств.

Денатурация полинуклеотидов может быть обратимым процессом. Исследования показали, что при совместной денатурации различных ДНК бактерий и последующей ренатурации могут возникнуть «гибридные молекулы ДНК», составленные из фрагментов первоначальных молекул ДНК. Это явление получило название молекулярной гибридизации и послужило основой для постановки работ в области генной инженерии, преследующей цель конструировать вне организма биологически активные рекомбинантные (или «гибридные») молекулы ДНК.

Содержание ДНК в клетках организма определенного типа отличается необыкновенным постоянством, тогда как межвидовые различия в этом отношении значительны. Чаргаффом, А.Н. Белозерским и др. было установлено, что препараты ДНК, изолированные из различных организмов, характеризуются разным количественным соотношением пар азотистых оснований. Было установлено, что нуклеотидный состав ДНК является характеристикой данного организма, данного биологического вида. Иначе говоря, состав ДНК имеет видовую специфичность.

Нуклеотидный состав РНК различных живых существ варьирует в гораздо меньших размерах, чем нуклеотидный состав ДНК. Видовая специфичность РНК создается различной последовательностью размещения нуклеотидов в их молекулах. Количество РНК в клетке может меняться под влиянием различных факторов.

Строение нуклеиновых кислот определяет их физико-химические и функциональные свойства.

Нуклеиновые кислоты – вещества белого цвета, волокнистого строения, плохо растворимые в воде в свободном состоянии, но хорошо растворимые в воде в виде солей щелочных металлов.

Они также хорошо растворяются в солевых растворах: РНК – в разбавленных, а ДНК – в более крепких.

РНК неустойчива к воздействию щелочей и расщепляется до мононуклеотидов, в то время как ДНК стабильна в щелочной среде. Молекулярная масса ДНК – от 1,9 млн. до 200 млн. дальтон и выше, а ее молекула состоит из многих тысяч мононуклеотидов; молекулярная масса РНК – от 17000 до 4000000 дальтон, а мононуклеотидов в молекуле – до 4-6 тысяч.

Растворы нуклеиновых кислот обладают высокой вязкостью и двойным лучепреломлением. Располагая большим отрицательным зарядом, молекулы нуклеиновых кислот подвижны в электрическом поле. Нуклеиновые кислоты прочно связывают многовалентные ионы металлов, подвергаются алкилированию и дезаминированию. Характерным свойством нуклеиновых кислот является способность поглощать свет в ультрафиолетовой области спектра вблизи 260 нм.

ДНК и РНК локализуются в различных частях клетки. ДНК эукариот находится преимущественно в ядре клетки (в составе хромосом) в связанном с белками виде, образуя хроматин. Однако несколько процентов общей клеточной ДНК сосредоточено в митохондриях, а также в хлоропластах растительных клеток и базальных тельцах жгутиков. ДНК митохондрий похожа на ДНК бактерий, т.е. она свободна, не связана с белком и имеет кольцевую структуру. Митохондриальная ДНК определяет синтез некоторых компонентов митохондриальных мембран, поэтому мутации в этой ДНК могут вызвать нарушения клеточного дыхания. РНК встречается как в ядре, так и в цитоплазме, особенно богаты РНК ядрышко и рибосомальная фракция микросом. Кроме того, РНК найдена в хромосомах и в растворимой форме в цитоплазматической жидкости.

Содержание РНК в клетках не отличается ни однообразием, ни стабильностью. Замечено, что в клетках тех тканей, где идет интенсивный синтез белка, содержание РНК превышает в несколько раз таковое ДНК.

С различной локализацией ДНК и РНК тесно связаны их функциональные особенности. ДНК является основным строительным материалом генов, в котором в «зашифрованном» виде хранится наследственная информация организма, реализующаяся через биосинтез белка.

У РНК – другая функция: информировать цитоплазму о свойствах, записанных с помощью генетического кода. Это проявляется, прежде всего, в ответственности РНК за синтез белка и специфичность синтезируемых молекул.

В клетках существует три главных типа РНК:

- информационная или матричная РНК (и-РНК или м-РНК);

- рибосомальная или рибосомная РНК (р-РНК);

- транспортная РНК (т-РНК).

Кроме внутриклеточных ДНК и РНК существуют также ДНК и РНК, входящие в состав вирусов и фагов. РНК образует растительные вирусы, а ДНК – животные вирусы и бактериофаги.