g_ryurikov | Введение в биологию

Х
Нуклеотиды. Нуклеиновые кислоты

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) относится к классу веществ, называемых нуклеиновыми кислотами. Нуклеиновые кислоты, как и белки — гетерополимеры, то есть вещества, построенные из повторяющихся «блоков» (мономеров), имеющих общую часть. Для того, чтобы описать строение полимера, нужно описать строение мономеров и способ их соединения между собой.

Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. С нуклеотидами, кстати, мы столкнёмся отнюдь не только как с мономерами нуклеиновых кислот: функции нуклеотидов, в общем, довольно разнообразны, это надо иметь в виду. Любой нуклеотид состоит из трёх основных частей: азотистого основания, пятиуглеродного сахара (рибозы или дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты (одного или более). Что представляют из себя сахара вообще, и рибоза с дезоксирибозой в частности, мы уже знаем, что такое фосфорная кислота — тоже, а вот азотистые основания нам ещё не встречались. Азотистые основания — это азотсодержащие гетероциклические соединения, являющиеся производными пурина или пиримидина (основания — потому, что азот здесь, как и в аминогруппе, придаёт молекуле основные свойства). В составе нуклеотидов мы будем встречать в основном вот эти пять разных азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин, урацил, тимин.

Соединение азотистого основания с сахаром называется нуклеозидом. Соответствующие приведённым азотистым основаниям нуклеозиды будут называться аденозин, гуанозин, цитидин, уридин и тимидин. К сахару присоединяется ещё фосфат (остаток фосфорной кислоты). Всё вместе это составляет нуклеотид:

Если присоединён один фосфатный остаток — перед нами нуклеозидмонофосфат, если два — нуклеозиддифосфат, ну а если три, — соответственно, нуклеозидтрифосфат. Связи, соединяющие фосфатные группы, называются макроэргическими и могут использоваться для запасания энергии. В частности, аденозинтрифосфат (АТФ) в клетках является своего рода «универсальной энергетической валютой» — может служить источником энергии для самых разнообразных процессов.

Также нуклеотиды входят в состав многих коферментов (коферменты — это такие вещества небелковой природы, выполняющие какие-то важные специфические функции в метаболизме). Например, тот же аденозин входит в состав кофермента А, служащего переносчиком остатков карбоновых кислот в ряде биохимических процессов. Или вот НАД (никотинамидадениндинуклеотид) — тоже кофермент, он является посредником в ряде важнейших окислительно-восстановительных реакций (принимает электроны у одной молекулы и потом передаёт их другой).

Ну и, как мы уже поняли, нуклеотиды в качестве мономеров входят в состав нуклеиновых кислот. Фосфатный остаток одного нуклеотида соединяется эфирной связью с сахаром другого нуклеотида, и так формируется цепочка (фосфат, «принадлежащий» нуклеотиду, прикреплён к 5’-атому углерода сахара, и соединяется он с 3’-атомом сахара другого нуклеотида; штрих после цифры указывает, что речь идёт о нумерации атомов углерода в сахаре, а не в азотистом основании). Таким образом, получившаяся цепочка нуклеотидов имеет так называемый сахарофосфатный остов, азотистые основания торчат вбок и в формировании цепи участия не принимают (собственно, им и не положено, они ведь разные и поэтому формально являются радикалами). Цепочку можно наращивать, присоединяя нуклеотиды либо к свободному фосфату на одной стороне (это 5’-конец), либо к свободной гидроксильной группе на другой (это 3’-конец).

В формировании цепи азотистые основания участия не принимают, зато они могут образовывать водородные связи с азотистыми основаниями другой цепи (или другого участка той же цепи). Получается структура из двух параллельных цепей нуклеотидов, которая может закручиваться в спираль. Поскольку азотистые основания разные, водородные связи они образуют избирательно (не любое основание с любым). Во-первых, пуриновое основание связывается только с пиримидиновым (это правило вытекает просто из пространственных соображений — в двойной цепи напротив большой молекулы встаёт маленькая, и наоборот). Во-вторых, некоторые основания формируют две водородные связи, некоторые — три, и связываются соответственно с «подходящими». Отсюда возникает правило соответствия азотистых оснований — какие с какими могут образовывать водородные связи, оно называется принципом комплементарности.

Получившаяся молекула формально относится к кислотам из-за содержания остатков фосфорной кислоты. Разумеется, в клетке они ионизируются, и реально молекула нуклеиновой кислоты представляет собой гигантский ион.

Разновидности нуклеиновых кислот — это ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Формальное различие между ними — в состав РНК входит сахар рибоза, в состав ДНК — дезоксирибоза.

Есть и другие важные различия, по которым, как правило, можно отличить ДНК от РНК, но они не являются строго обязательными. Во-первых, имеется разница в составе азотистых оснований. РНК, за редким исключением, включает четыре типа оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и урацил (Ц). В ДНК оснований, как правило, тоже четыре, и это аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). Иными словами, в ДНК урацил заменяется на тимин. Другая особенность — ДНК, как правило, присутствует в двухцепочечной форме: имеются две связанные водородными цепями нуклеотидные цепи, закрученные в спираль (двойная спираль ДНК). РНК же, как правило, представлена одноцепочечными молекулами.

ДНК обычно используется для долговременного хранения наследственной информации, а РНК — как промежуточный посредник для её считывания. В этом есть своя логика, так как ДНК гораздо более стабильна (из-за отсутствия гидроксильной группы на втором атоме углерода дезоксирибозы), а РНК относительно неустойчива и может самопроизвольно распадаться. Кроме того, устойчивость молекуле ДНК придаёт множество водородных связей, «заякоривающих» цепи друг напротив друга. Кстати, поскольку обычно подразумевается, что водородными связями соединяются разные молекулы, двойную спираль ДНК следовало бы считать не одной молекулой, а двумя. Дело в том, что водородные связи относительно слабые и в большинстве случаев не обеспечивают прочного взаимодействия. Но в двухцепочечной молекуле ДНК, как мы видим, присутствует огромное количество параллельных водородных связей, и их прочность как бы суммируется. Так же ведёт себя застёжка-«молния»: один зубчик держится слабо, зато вся система в целом держится довольно прочно.

Цепочки ДНК антипараллельны, то есть если мы двигаемся по молекуле ДНК, то вдоль одной цепи мы будем перемещаться от 5’-конца к 3’-концу, а вдоль другой — от 3’-конца к 5’-концу. Благодаря тому, что напротив каждого аденина находится тимин, а напротив каждого гуанина — цитозин, общее число нуклеотидов с аденином будет равно числу нуклеотидов с тимином, а число нуклеотидов с гуанином — числу нуклеотидов с цитозином, то есть [А]=[Т], [Г]=[Ц]. Это соотношение называется правилом Чаргаффа (в честь американского биохимика Эрвина Чаргаффа, в сороковые годы XX в показавшего, что это так). Окончательно же структура ДНК была установлена в 1953 году Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком.