Строение и функции нуклеиновых кислот в клетке

Нуклеиновые кислоты — что это в биологии

Было выяснено опытным путем, что молекулы нуклеиновых кислот способны переходить от одного простейшего организма к другому и передавать ему наследуемые признаки. Часть вирусов имеют рибонуклеиновые кислоты в качестве генетического материала. Но самая важная функция нуклеиновых кислот — это хранение и передача наследственной информации при размножении живых существ.

Какую роль играют в жизнедеятельности клетки

Генетическая информация, определяющая неповторимость любого организма — это информация о последовательности аминокислот в каждом из его белков. А содержится она в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты, сокращенно ДНК. Последовательность структурных единиц ДНК, нуклеотидов, соответствует последовательности аминокислот в белке. Это взаимное соответствие называется генетическим кодом.

Рибонуклеиновая кислота, сокращенно РНК, играет роль посредника между ДНК и белком. Сведения, хранящиеся в ДНК, в результате химической реакции, спровоцированной промотором, переписываются в виде РНК. На участке ДНК, где идет синтез РНК, нити двойной спирали расплетены. По мере продвижения специального фермента, РНК-полимеразы, вдоль ДНК спираль восстанавливается.

Классификация типов РНК проводится по исполняемым функциям. РНК, в виде которой переписывается наследственная информация, получила название матричной. Она используется для получения белка много раз. Поэтому вдоль нее движется сразу несколько частиц РНК другого типа, каждая из которых делает свою копию белка.

РНК второго типа, рибосомная, управляет всем процессом синтеза белка. Она же выступает в роли «суперфермента», ускоряющего реакцию аминокислот между собой. Как и РНК-полимераза при переписывании наследственной информации, рибосомная РНК получает старт- и стоп-сигналы. Их подает матричная РНК.

Старт-сигнал представляет собой последовательность из пяти-восьми нуклеотидов, расположенную на расстоянии примерно в десять нуклеотидов от начала участка, который кодирует белок. Стоп-сигнал рибосомная РНК получает тогда, когда встречает особые тройки нуклеотидов: УАА, УГА и УАГ, не кодирующие аминокислоты. В клетке нет тех транспортных РНК, которые могли бы спариваться с ними своими петлями.

РНК третьего типа называют транспортной. Она составляет 15% всей клеточной РНК. Молекула транспортной РНК совсем маленькая, она состоит примерно из 75 нуклеотидов. С ее помощью между аминокислотами образуется химическая связь, т. е. появляется зародыш будущего белка. Далее аминокислоты будут присоединяться к растущей белковой цепочке по мере их поступления к месту синтеза.

Белковые цепочки, отрезанные от транспортной РНК, претерпевают в клетке дальнейшие изменения. Некоторые аминокислоты могут химически меняться, а сама цепочка иногда разрезается на части. Лишь в этом случае образуется полноценный белок. За последующую обработку только что произведенных белков в клетке отвечает множество различных ферментов. 

Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК

Существует две разновидности нуклеиновых кислот. Одна содержит остатки дезоксирибозы и основания аденин, гуанин, цитозин и тимин. Это дезоксирибонуклеиновая кислота, сокращенно ДНК, названная так по названию углеводного остатка. А нуклеиновая кислота другого типа содержит остатки рибозы и основания аденин, гуанин, цитозин и урацил. Она называется рибонуклеиновой кислотой, или РНК.

Одна часть молекул РНК, информационная, диктует последовательность аминокислот в белке, другая, рибосомная, способствует соединению аминокислот в белковую цепь. Хранится информация о составе белков в более прочных молекулах ДНК. Они состоят из двух нитей, сплетенных в спираль, и имеют огромную по молекулярным масштабам длину.

Например, в ДНК бактерии Escherichia coli насчитывается четыре миллиона нуклеотидов, а в ДНК человека — пять миллиардов. Длина молекулы ДНК намного превосходит величину не только клеточного ядра, но и всей клетки. Например, размер ядра клетки печени человека равен в среднем 5 мкм, а целой клетки — 2 мкм. Линейная длина ДНК, содержащейся в клетке человека — 1,7 м. 

В молекуле ДНК, содержащей от нескольких миллионов до нескольких миллиардов нуклеотидных пар, сосредоточено огромное количество генов. Общее их число можно оценить у таких простых организмов, как бактерии. Эти организмы не имеют ядра, и их единственная хромосома расположена в цитоплазме.

Подсчитано, например, что ДНК кишечной палочки включает от 3000 до 5000 генов. Размер каждой эукариотической хромосомы может в 4–100 раз превышать размер единственной хромосомы прокариот. Например, физическая длина молекулы ДНК самой мелкой хромосомы человека составляет 30 мм.

Молекулы ДНК в 46 хромосомах человека неодинаковы по размеру: они могут различаться между собой более чем в двадцать пять раз. Каждая хромосома несет уникальный набор генов, совокупность которых составляет геном клетки.

Тем не менее при сравнении нуклеотидной последовательности генов, кодирующих белки, и аминокислотной последовательности самих белков выяснилось: наряду с кодирующей белок нуклеотидной последовательностью ген содержит также совершенно бессмысленную нуклеотидную последовательность, не несущую никакой информации о построении белка.

Почти во всех генах млекопитающих и птиц встречаются такие некодирующие элементы, которые в нескольких местах прерывают кодирующую последовательность нуклеотидов. Биохимики называют это явление прерывистостью гена. Кодирующие белок участки ДНК именуются экзонами, от греческого слова «экзо», «снаружи», а некодирующие — интронами, от латинского «intro», «внутри».

Количество и протяженность интронов внутри гена могут быть различны. Например, ген одного из яичных белков, овальбумина, содержит восемь интронов, а ген белка соединительной ткани, коллагена, пятьдесят интронов, длина которых варьируется от сотни до нескольких тысяч нуклеотидов.

Интроны могут занимать до 95% от общей протяженности гена. Возможно, эти участки генов когда-то производили белки, необходимые для выживания организма в природных условиях того времени. Есть и гипотеза, согласно которой интроны существенно снижают вероятность мутации в жизненно важных участках генов.

Восстановление двойной спирали по одной ее цепи, как по матрице, называют матричным синтезом. Это свойство точно копировать себя с исходной матрицы имеет ключевое значение для жизни на земле. Реакции матричного синтеза неизвестны в неживой природе.

Без этих реакций живое утратило бы свое главное свойство — способность воспроизводить себя. Вся информация, касающаяся строения одного белка, занимает в ДНК небольшой участок. Этот участок и является геном.

РНК отличается от ДНК в основном тем, что содержит только одну нить, так же как и у ДНК, построенную из нуклеотидов и гораздо более короткую. Молекулы РНК являются как бы слепками отдельных участков большой молекулы ДНК и создаются также в результате реакции матричного синтеза.

Каждая такая РНК по существу является копией чертежа, необходимого для сборки отдельного белка. Сборочным цехом белков являются специальные частицы, находящиеся в цитоплазме клетки. Сюда и поступают молекулы РНК. Обычно они содержат около сотни нуклеотидов.

Сильные различия в размере между близкими по химической природе молекулами ДНК и РНК объясняются их принципиально разными функциями в клетке. Молекулы РНК живут всего несколько минут. Нестабильность РНК — отнюдь не недостаток, а ценное свойство, так как после выполненных операций по передаче информации клетке не нужно тратить энергию на считывание ненужной информации.

Строение и химический состав нуклеиновых кислот

Швейцарский биолог Иоганн Фридрих Мишер изучал клеточное ядро и в 1868 году проводил эксперименты с клетками гноя, лейкоцитами. Из их ядер ему удалось выделить новое вещество, содержащее фосфор. Мишер назвал это вещество нуклеином. Позже обнаружилось, что в его основе лежит белок, а также в веществе содержится кислый компонент неизвестной природы. Его назвали нуклеиновой кислотой.

Впоследствии Мишер выделил нуклеиновую кислоту из нескольких источников и активно изучал ее свойства, однако биологическая роль и химическая структура этого вещества оставались невыясненными еще в течение восьмидесяти лет.

Медленно и трудно, шаг за шагом приближались ученые к разгадке структуры и функций нуклеиновой кислоты. Было установлено, что количество нуклеиновой кислоты в одной клетке — величина постоянная для данного организма. В то же время содержание любого другого компонента, например белков, существенно зависит от типа клетки.

Также примечательно, что количество нуклеиновой кислоты в клетке обусловлено только сложностью организма и почти в тысячу раз возрастает при переходе от бактерий к млекопитающим. Для сравнения: количество белков клетки у бактерий и человека различается всего в десятки раз.

В начале 1940-х годов американскому микробиологу Освальду Эйвери удалось выделить из бактерий вещество — носитель наследственности. Эксперименты показали: данное вещество — открытая Мишером еще в прошлом столетии нуклеиновая кислота. Это стало настоящим переворотом в науке, опровергшим общепризнанные на тот момент представления ученых, что генетическую информацию несет молекула белка.

В отличие от нуклеиновой кислоты, о белке тогда было известно сравнительно много, однако никаких данных, прямо доказывающих его генетическую роль, не имелось. Как оказалось, генетическая роль нуклеиновой кислоты очень удачно объясняла многие ее свойства.

Во-первых, каждая клетка содержит постоянное количество нуклеиновой кислоты и, следовательно, несет полную информацию о целом организме. Во-вторых, чем сложнее организм, тем больше информации заключено в его клетках, поэтому количество нуклеиновой кислоты в клетке возрастает со сложностью организма.

Нуклеотиды, составляющие нуклеиновые кислоты, обладают сложной структурой. Они содержат остаток фосфорной кислоты, остаток молекулы углевода и остаток основания. Углеводные остатки в нуклеиновых кислотах бывают двух типов: у одних на гидроксильную группу меньше, чем у других.

Первый углеводный остаток называется дезоксирибозой, а второй — рибозой. Остатки оснований принадлежат к пяти различным типам. Два из них очень похожи и отличаются только тем, что у одного есть метильная группа, а у второго она отсутствует. Остаток с метильной группой называется тимином, а без нее — урацилом. Другие остатки оснований — это аденин, гуанин и цитозин.

Химические формулы нуклеозидов и оснований можно увидеть на картинке:

В целом структуру нуклеиновых кислот делят по сложности организации на четыре уровня:

1. Цепочки нуклеотидов, соединенные фосфодиэфирной связью, т. е. через фосфатный остаток.
2. Две цепочки, соединенные водородными связями.
3. Спираль из свернутых цепочек, соединенных дополнительными водородными связями через радикалы азотистых оснований.
4. Комплексы гистонов и нити нуклеопротеида хроматина.

Итак, два типа кислот, ДНК и РНК, отличаются структурой входящего в их состав углеводного остатка, а также структурой одного из оснований. В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды соединены в длинную цепь ковалентной химической связью: гидроксильная группа углеводного остатка одного нуклеотида присоединяется к фосфатной группе другого нуклеотида.

Таким образом, скелет цепи ДНК и РНК состоит из чередующихся углеводных и фосфатных остатков. При записи последовательности нуклеотидов принято обозначать их одной буквой — в соответствии с входящим в их состав основанием.

В РНК нуклеотид, содержащий остаток аденина, обозначается А, нуклеотид с остатком гуанина — Г, цитозина — Ц, урацила — У.

А нуклеотиды ДНК помечают индексом «д»: дА, дГ, дЦ, дТ. Однако часто его опускают, когда по контексту понятно, что речь идет о дезоксинуклеотидах. Распространено также обозначение нуклеотидов латинскими буквами — А, G, С, Т, U. 

Из-за особенностей рибозы большинство клеточных РНК существует в одноцепочечной форме. Как правило, в РНК образуются лишь небольшие участки двойной спирали между различными фрагментами одной и той же цепи. Структура ДНК намного сложнее.

Американский биохимик Эрвин Чаргафф экспериментально установил в 1940-х годах ряд важных закономерностей:

1. Процентное содержание нуклеотидов с разными основаниями, т. е. нуклеотидный состав ДНК, одинаково для каждой клетки одного организма. 
2. Соотношение (Г+Ц) : (А+Т) у одного биологического вида всегда остается постоянным. 
3. Число остатков А всегда равно числу остатков Т, а число остатков Г — числу остатков Ц. 

Ученые сделали вывод, что основания в ДНК встречаются попарно: наличие остатка А подразумевает наличие остатка Т, точно так же, как появление Г вызывает появление Ц. 

Важный эксперимент выполнили английские исследователи Розалин Элси Франклин и Морис Хью Фредерик Уилкинс. Им удалось получить рентгенограмму волокон ДНК. Проходя через кристалл, рентгеновские лучи отклоняются от прямолинейного движения, претерпевают дифракцию из-за ядер атомов, с которыми сталкиваются.

Так по отклонениям лучей можно определить расположение атомов. Дифракционная картина ДНК оказалось чрезвычайно сложной. Крест в центре рентгенограммы указал на то, что молекула ДНК имеет форму спирали.

В 1953 году американский биохимик Джеймс Дьюи Уотсон и английский биофизик и генетик Фрэнсис Харри Комптон Крик проанализировали полученную ранее рентгенограмму и создали пространственную модель молекулы ДНК. Это одно из наиболее впечатляющих открытий в молекулярной биологии, за которое Уотсон и Крик были в 1962 году удостоены Нобелевской премии.

Согласно их гениальной догадке, молекула ДНК образуется при закручивании двух цепочек ДНК вокруг общей оси симметрии. Спираль закручена по часовой стрелке, причем цепи направлены в противоположные стороны. На каждый виток спирали приходится ровно десять нуклеотидных пар.

Основания, находящиеся друг напротив друга в разных цепях, сильно сближены, поэтому между ними возникают нековалентные взаимодействия. Атомы водорода одного основания электростатически притягиваются атомами кислорода или азота другого основания. Химики называют этот тип взаимодействий водородными связями.

Размеры двойной спирали ДНК таковы, что поместиться внутри нее друг против друга могут лишь строго определенные пары оснований.

Внешний диаметр спирали равен 2 нм, а внутренний — 1,1 нм. В это пространство прекрасно укладываются пары А-Т и Г-Ц, в которых одно основание (А или Г) крупное, состоящее из шестиугольника и пятиугольника, а другое (Т или Ц) — маленькое, только из шестиугольника.

Для пар А-А, Г-Г или А-Г из двух крупных оснований этого расстояния не хватает. А для пар Т-Т, Ц-Ц или Т-Ц, где оба основания маленькие, места более чем достаточно, но они оказались бы слишком далеко друг от друга, чтобы образовать водородные связи.

Помимо пространственных ограничений на формирование пар влияют и правила образования водородных связей. Атомы водорода в крупных (А и Г) и маленьких (Т и Ц) основаниях занимают вполне определенные положения. Аденин не может объединиться в пару с цитозином, поскольку тогда на месте одной связи оказалось бы два атома водорода, а на месте другой — ни одного.

Точно так же гуанин не может создать пару с тимином. Аденин, напротив, образует с тимином две водородные связи, а гуанин с цитозином — три водородные связи. Ориентация этих водородных связей и расстояние между ними обеспечивают наиболее сильное взаимодействие между основаниями.

Схема образования пар оснований, предложенная Уотсоном и Криком, прекрасно согласовывалась с экспериментами Чаргаффа, который показал, что количество А в ДНК равно количеству Т, а количество Г — Ц. Допустим, в одной цепи в определенном месте расположен остаток аденина, значит, напротив него в другой цепи обязательно обнаружится остаток тимина, и никакой другой.

Точно так же если в одной цепи находится гуанин, напротив него обязательно появится цитозин. Поэтому, когда известна нуклеотидная последовательность одной цепи, всегда можно определить последовательность другой. Две нуклеотидные цепочки ДНК не идентичны друг другу, но комплементарны.

Обязательное требование к носителю генетической информации — способность к ее точному копированию при каждом цикле клеточного деления. Комплементарность двух цепей ДНК приводит к простому механизму воспроизведения, или репликации ДНК.

Поскольку основания способны образовывать только две строго определенные пары, каждая цепь может служить образцом — матрицей для построения другой цепи. Одна из цепей ДНК — это «негатив», с которого возможно отпечатать «позитив» — комплементарную ей цепь.

Структура, образованная одной свернутой молекулой ДНК, именуется хромосомой. Название произошло от греческих слов «хрома» (цвет) и «сома» (тело). Выбор слов связан с тем, что для наблюдения в микроскоп хромосому необходимо обработать специальным красителем. Число хромосом неодинаково у разных видов организмов.

У кишечной палочки 1 хромосома, а у человека — 46. Один и тот же хромосомный набор содержится в каждой клетке организма, за исключением случаев химеризма и мозаицизма. Главная характеристика этих явлений — наличие в организме генетически отличных клеток, переданных в обход полового размножения, например, через плаценту от матери к ребенку или от одного близнеца к другому.