Нуклеиновые кислоты. 
Концепции современного естествознания

В классическом естествознании ещё в конце XIX в. было установлено, что наследственность растений и животных определяется наличием определенного числа хромосом в ядрах клетки. Химический состав хромосом отвечает смеси дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК), с последними и стали отождествлять наследственный аппарат живого вещества. Судя по молекулярной массе, ДНК содержат от 10' до 10^s отдельных звеньев-нуклеотидов в общей цепи. Меньшее число (от 80 до 200 000) нуклеотидов содержат цепи рибонуклеиновых кислот (РНК), с помощью которых происходит синтез белка в клетке.

Азотистых оснований в составе нуклеиновых кислот немного, всего пять. Термин пентоза является общим названием для рибозы и дексорибозы. Отличие между ними всего лишь в одной детали: если гидроксил ОН заменить на водород Н, то вместо рибозы получится дсзоксирибоза. В зависимости от числа тетраэдров Р0₄ в остатке фосфорных кислот, нуклеотиды называются моно-, диили трифосфатами. Образно говоря,.

Рис. 108. Строение молекулы, А ТФ

пентоза является платформой, с одного бока которой присоединяется блок азотистого основания, а с другого — «хвост» остатка фосфорной кислоты. В качестве примеров приведем на рис. 108 структурную формулу одного из самых важных нуклеотидовАТФ (аденозингрифосфорной кислоты). При некоторой игре воображения в форме молекулы можно увидеть поднятую голову, тело и хвост «насекомого». Сходство будет ещё более заметным, если указывать только линии химических связей и особенные группы атомов. Модель в виде вдавленных друг в друга шаров разного размера и цвета дает более точную пространственную конфигурацию.

Как отдельный нуклеотид, АТФ является постащиком энергии для белков, переходя из одной модификации (трифосфат) в другую (дифосфат), рис. 109.

Рис. 109. Цикл передачи энергии от углевода белку

Если специфику аминокислот определяет боковой радикал, то индивидуальность нуклеотидов определяется азотистым основанием («головой» молекулы). Как отмечалось выше, их всего пять, по четыре они входят в состав ДНК и РНК.

ДНК: Аденип (А), Гуанин (Г), Цитозин (Ц), Тимин (Т)

РНК: Аденин (А), Гуанин (Г), Цитозин (Ц), Урацил (У)

Нуклеотиды являются оптически активными соединениями, это D-изомсры, т. с. они закручивают угол поляризации света вправо.

Принцип полимеризации нуклеотидов в цепи ДНК или РНК следующий: фосфатный «хвост» одного звена присоединяется к углу пентозы, соседнему с тем, где «отрастает» фосфатная цепь другого нуклеотида, и получается цепь платформ, каждая из которых несет свое азотистое основание. Этот процесс определяет формирование первичной структуры нуклеиновых кислот.

Вторичная структура стабилизируется водородными связями, как и в структуре белков. Но в данном случае между «подходящими» азотистыми основаниями сразу образуется по две или по три водородных связи, что, конечно, упрочняет вторичную структуру. Самая главная особенность таких соединений — это то, что каждый конкретный нуклеотид может образовать «зацепление» только с единственным из трех других в его группе. Если назвать один нуклеотид «замком», то его партнер будет «ключом», подходящим только к этому замку. Зацепления могут возникать как между азотистыми основаниями одной цепи, так и между основаниями соседних цепей (рис. 110).

Рис. 110. Варианты соединения аденина с тимином и гуанина с цитозином

Говорят, что пары нуклеотидов отвечают принципу комплементарное™, цитозин комплементарен гуанину, аденин — тимину и урацилу (последний отличается от тимина только отсутствием группы СН₃).

Принцип комплементарное™ позволяет объяснить механизм «молекулярного узнавания». Водородные связи (с одной стороны, доноры, с другой — акцепторы электрона) являются своеобразной системой поиска комплементарного участка, принадлежащего своей или другой цепи.

Вторичная структура РНК в самом простом случае может быть представлена в виде испорченной застежки-молнии. Там, где подряд располагаются соответствующие друг другу комплементарные звенья, «молния» застегнута, где нет соответствия — появляется петля. В общей цепи могут образоваться несколько петель различного размера. Например, транспортные РНК (тРНК) в большинстве случаев имеют форму клеверного листа, изогнутого наподобие австралийского бумеранга.

Вторичная структура ДНК более сложная. При химическом анализе этих кислот было установлено эмпирическое правило Чаргаффа: какой бы длины ни была нуклеотидная цепь, всегда количество оснований аденина равнялось количеству оснований тимина, а количество цитозина равнялось количеству гуанина. Причины этого установили Д. Уотстон и Ф. Крик, введя принцип комплементарное™. В 1953 г. они экспериментально доказали, что ДНК представляет собой двойную спираль, составленную из полностью комплементарных цепей нуклеотидов. Начало одной цепи комплементарно окончанию другой.

Рис. 111. Модель структуры ДНК

Пояснить ситуацию можно схемой двух лент, закрученных вокруг общей для них оси (рис. 111). Шаг спирали b = 3,4 нм, на одном обороте спирали имеется 10 комплементарных пар нуклеотидов, так что межцепные водородные «разъемы» располагаются на расстоянии а = 0,34 нм. Если поискать аналог спирали ДНК, то наиболее подходящим образом будет винтовая вертикальная лестница, ступеньками которой будут водородные связи, причем каждая последующая ступенька повернута относительно предыдущей на 36 °. Как и для белков, нуклеиновые кислоты могут иметь третичную структуру.

Во многих случаях шнуры ДНК наматываются на белковые глобулы, образуя нуклеосомы (рис. 112). В чем «польза» дополнительной спирализации в шнуры и упорядоченные клубки?

Рис. 112. Схема строения нуклеосомы

Польза в компактности, которая позволяет достичь очень высокой объемной плотности генетической информации. Для примера приведем несколько цифр.

В одной клетке человека, содержащей 46 хромосом, помещаются цепи ДНК длиной 2 м при величине самой клетки около 25 мкм и размере ядра клетки (где находятся хромосомы) примерно 5 мкм. Подсчитано, что если раскрутить все молекулы ДНК в организме человека в прямую ленту, то она была бы в 80 раз больше расстояния от Земли до Солнца!

Общая схема, показывающая последовательность структурных уровней нуклеиновых кислот от двойной цепи ДНК до хромосомы в клетке, приведена на рис. 113.

Рис. 113. Структурные уровни хромосомы

Отдельные нуклсосомы собираются в плотную упаковку, из которых формируется так называемый соленоид (катушка). Из соленоидов, как из структурных элементов, собирается хромосома. Набор хромосом определяет кариотип человека, его индивидуальный наследственный аппарат. Набор хромосом находится в ядре клетки и является информационной базой данных, — архивом, с которого снимаются копии РНК для производства в клетке белков и управляющих РНК. Сами цепи ДНК ядро клетки никогда не покидают.