НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ — класс биополимеров, ответственных за хранение, передачу и воплощение генетической информации; универсальные компоненты всех живых организмов.

Имеется два типа Н. к.: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК), углеводные компоненты к-рых представлены Рибонуклеиновые кислоты).

Различают следующие основные виды РНК: информационная, или матричная (иРНК, или мРНК), к-рая служит матрицей для синтеза белков; рибосомная (рРНК), являющаяся компонентом белоксинтезирующего аппарата клетки — рибосомы (см.); транспортная (тРНК), функция к-рой состоит в переносе активированных аминокислот в место синтеза белка — рибосому. РНК служит генетическим материалом многих вирусов.

Основная часть ДНК эукариотов содержится в хромосомах. Кроме того, ДНК присутствует в хлоропластах растений и митохондриях животных и растений. В нек-рых клетках, напр, спермиях, содержание ДНК может составлять около половины веса всей клетки. Удобным источником для получения ДНК являются лимфоциты вилочковой железы. РНК преимущественно находится в цитоплазме. Содержание РНК в клетках сильно варьирует в зависимости от интенсивности белкового синтеза в них. Много РНК содержится, напр., в поджелудочной железе, а также в быстрорастущих эмбриональных и опухолевых клетках. Высокоспециализированные мышечная и нервная ткани содержат относительно мало РНК.

Н. к. были открыты в 1868 г. швейцарским химиком Мише ром (F. Miescher), к-рый показал, что они локализованы в ядрах клетки, обладают кислотными свойствами и в отличие от белков содержат фосфор.

Химически Н. к. представляют собой полинуклеотиды, состоящие из мономерных звеньев — так наз. мононуклеотидов (нуклеотидов). Каждый нуклеотид содержит одно из четырех типов азотистых оснований: пурины — аденин (А) и гуанин (Г) и пиримидины — цитозин (Ц) и тимин (Т). В нуклеотидах РНК вместо тимина присутствует урацил (У). Основание, соединенное с углеводом — пентозой, образует так наз. нуклеозид, фосфорилированные производное к-рого называется нуклеотидом. Нуклеотиды в Н. к. соединены посредством фосфодиэфирной связи, где R — H (водород) для ДНК и — OH (гидроксил) для РНК.

Специфичность Н. к. определяется порядком чередования азотистых оснований, что определяет так наз. первичную структуру Н. к. Первичная структура установлена для многих тРНК, рРНК, иРНК, а также ряда РНК- и ДНК-содержащих вирусов и бактериофагов. Пространственная структура Н. к. определяется нековалентными взаимодействиями: водородными связями между основаниями, гидрофобными взаимодействиями между плоскостями пар оснований, электростатическими взаимодействиями с участием отрицательно заряженных фосфатных групп и противоионов.

Важнейшим достижением молекулярной биологии (см.) было открытие в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком двойной спирали ДНК, в молекуле к-рой две антипараллельно расположенные сахарофосфатные цепи удерживаются водородными связями между аденином и тимином или гуанином и цитозином. Последовательность азотистых оснований в одной цепи определяет последовательность оснований в другой. Размеры комплементарных пар А — T и Г — Ц одинаковы. Это позволяет нуклеотидной цепи, состоящей из комплементарных пар оснований в произвольной последовательности, свернуться в правильную двойную спираль (вторичная структура Н. к.). В физиол, условиях двойная спираль ДНК близка к так наз. B-форме, в к-рой пары оснований, лежащие одна над другой (стопкой), перпендикулярны оси спирали.

На один виток спирали приходится 10 пар оснований. В солевом растворе Н. к. число пар азотистых оснований, приходящихся на один виток спирали, варьирует, уменьшаясь при увеличении концентрации соли в р-ре и понижении температуры.

В отличие от ДНК, состоящей, как правило, из двух цепей, молекулы РНК обычно содержат одну цепь. Эта цепь, перегибаясь и навиваясь сама на себя, образует двуспиральные области (часто с дефектами), из к-рых формируется так наз. третичная структура Н. к. Двуспиральные участки РНК значительно отличаются по своей геометрии от В-фор-мы ДНК и относятся к так наз. A-форме, к-рая может возникать и у ДНК, но при уменьшенной относительной влажности препарата. Спираль A-формы более раскручена, на один ее виток приходится 11 — 12 пар азотистых оснований. Пары наклонены и сильно сдвинуты от оси спирали к периферии. Поскольку нековалентные взаимодействия между цепями Н. к. слабы, то высшие структуры Н. к.— третичная и вторичная разрушаются при повышении температуры или при растворении препарата в неводных растворителях. Процесс разрушения двуспиральной структуры называется переходом спираль — клубок или плавлением. В процессе плавления двойная спираль разделяется на составляющие ее цепи, что приводит к изменению гидродинамических и оптических характеристик Н. к. При понижении температуры молекулы Н. к. способны восстанавливать вторичную структуру. Это свойство широко используется для получения «гибридных» молекул, содержащих цепи ДНК и РНК. Отличительной особенностью двуспиральных Н. к. является очень большая жесткость на изгиб, благодаря чему отрезки, содержащие до 100 пар оснований, практически прямолинейны. Но т. к. число пар азотистых оснований в ДНК велико, то свободная ДНК в р-ре образует рыхлый клубок. Отсюда вытекает необходимость особых механизмов, обеспечивающих компактную укладку ДНК в хромосомах. Это достигается образованием сверхспирали из двойной спирали. В кольцевых ДНК прокариотов сверхспирализация возникает при изменении угла поворота между парами азотистых оснований. Сверх-спиральные ДНК обладают избыточной энергией упругой деформации, к-рая может использоваться в разнообразных биохим, процессах, в частности в регуляции генной активности, стимуляции нек-рых биосинтетических реакций. Специальные ферменты (топоизомеразы) поддерживают требуемую степень сверхспи-рализации кольцевых ДНК.

Синтез Н. к. в клетке осуществляется по принципу копирования молекулы-матрицы белками-полимеразами, при этом происходит реакция поликонденсации нуклеозидтрифосфа-тов с отщеплением пирофосфата. Последовательность азотистых оснований в молекуле продукта этого ферментативного процесса определяется последовательностью азотистых оснований в молекуле-матрице. Синтез ДНК называется Репарация генетических повреждений).

В соответствии с хим. строением полинуклеотидной цепи существуют три группы методов количественного определения Н. к.: по содержанию азотистых оснований [обычно пользуются определением величины поглощения в ультрафиолетовой части спектра, т. е. Углеводы)], по количеству фосфора. Спектрофотометрические методы дают удовлетворительные результаты только при незначительном количестве примесей в исследуемом образце. Методы второй группы специфичны к типу Н. к. и позволяют отличать ДНК от РНК.

Библиография: Органическая химия нуклеиновых кислот, под ред. Н. К. Кочеткова и Э. И. Будовского, М., 1970; Химия и биохимия нуклеиновых кислот, под ред. И. Б. Збарского и С. С. Дебова, JI., 1968; Ш а б а р о в а 3. А. и Богданов А. А. Химия нуклеиновых кислот и их компонентов, М., 1978; Chromatin, Cold Spr. Harb. Symp. quant. Biol., v. 42, pt 2, 1978; Handbook of biochemistry and molecular biology, nucleic acids, ed. by G. D. Fasman, v. 1, Cleveland, 1975.

В. И. Иванов.