Нуклеїнові кислоти: будова, властивості та функції

Нуклеїнові кислоти

Нуклеїнові кислоти - складні високомолекулярні біополімери, мономерами яких є нуклеотиди. Число нуклеотидів у складі однієї молекули нуклеїнової кислоти може становити від 200 до 200 млн. Уперше нуклеїнові кислоти виявили в ядрі клітин, звідки й походить назва цих сполук (від лат. нуклеус - ядро). Але згодом їх виявили й у інших частинах клітини.

Молекула нуклеотиду складається з трьох частин: залишків нітрогенумісної (азотистої) основи, п’ятивуглецевого моносахариду (пентози) та ортофосфатної кислоти. Залежно від виду пентози, що входить до складу нуклеотиду, розрізняють два типи нуклеїнових кислот: дезоксирибонуклеїнову (ДНК) і рибонуклеїнові (РНК). До складу ДНК входить залишок дезоксирибози, а РНК - рибози.

У молекулах ДНК і РНК містяться залишки різних азотистих основ. У молекулі ДНК - залишки нуклеотидів з аденіном (скорочено позначається літерою А), гуаніном (Г), цитозином (Ц) та тиміном (Т); у молекулі РНК - з аденіном (А), гуаніном (Г), цитозином (Ц) та урацилом (У).

У складі нуклеїнових кислот окремі нуклеотиди з’єднані між собою у ланцюг за допомогою ковалентних зв’язків, які виникають між залишком пентози одного нуклеотиду та залишком ортофосфатної кислоти іншого. Біологічні властивості нуклеїнових кислот зумовлені послідовністю розташування нуклеотидів у ланцюзі. Подібно до білків, ця послідовність становить собою первинну структуру нуклеїнових кислот. Складніші рівні організації молекул нуклеїнових кислот - вторинна і третинна - підтримуються за рахунок нековалентних взаємодій (зокрема, водневих зв’язків).

Типи РНК

Молекули РНК клітин прокаріотів та еукаріотів складаються з одного ланцюга. Існують три основні типи РНК, які відрізняються за місцем розташування у клітині, розмірами та функціями.

Матрична, або інформаційна, РНК (мРНК, або іРНК) становить собою копію певної ділянки молекули ДНК. Така молекула переносить спадкову інформацію від молекули ДНК до місця синтезу поліпептидного ланцюга, а також бере безпосередню участь у його збиранні.

Транспортна РНК (тРНК) має найменші розміри серед усіх молекул РНК. Вона приєднує амінокислоти і транспортує їх до місця синтезу білкових молекул. Там молекула тРНК "впізнає" відповідну ділянку мРНК. Ця ділянка - кодон - послідовність з трьох нуклеотидів, яка кодує одну з амінокислот. Таким чином визначається порядок розташування амінокислотних залишків у молекулі білка, що синтезується.

Транспортна РНК за формою нагадує листок конюшини. Така структура зумовлена тим, що в певних ділянках молекули тРНК між комплементарними нуклеотидами виникають водневі зв’язки. Біля верхівки "листка конюшини" містяться три нуклеотиди, або триплет, який відповідає певній амінокислоті. Цей триплет називають антикодон. Біля основи молекули ДНК є ділянка, до якої завдяки ковалентному зв’язку приєднується відповідна амінокислота.

Рибосомна РНК (рРНК) входить до складу особливих органел клітини - рибосом. Разом з білками рибосом вона виконує структурну функцію, забезпечуючи певне просторове розташування молекул рРНК та тРНК під час біосинтезу білкової молекули. У клітинах еукаріотів рРНК синтезується в ядерці.

Будова ДНК

Молекули ДНК у клітинах еукаріотів містяться в ядрі, пластидах і мітохондріях, у клітинах прокаріотів - в особливих ділянках цитоплазми. Розшифрування структури ДНК має свою історію. 1950 року американський учений Ервін Чаргафф (1950-2002) та його колеги виявили певні закономірності кількісного вмісту азотистих основ у молекулі ДНК: по-перше, кількість нуклеотидів, що містять аденін, у будь-якій молекулі ДНК дорівнює числу нуклеотидів, що містять тимін (А = Т), а число нуклеотидів з гуаніном - числу нуклеотидів із цитозином (Г = Ц); по-друге, сума нуклеотидів з аденіном і гуаніном дорівнює сумі нуклеотидів з тиміном і цитозином (А + Г = Т + Ц).

Це відкриття сприяло встановленню 1953 р. Джеймсом Уотсоном та Френсісом Кріком просторової структури ДНК. Молекула ДНК складається з двох ланцюгів нуклеотидів, які сполучаються між собою за допомогою водневих зв’язків. Ці зв’язки виникають між двома нуклеотидами, які ніби доповнюють один одного за розмірами, при цьому розміри А і Г дещо більші, ніж Т і Ц. Тому залишок аденіну (А) нуклеотиду одного ланцюга молекули ДНК завжди сполучається із залишком тиміну (Т) нуклеотиду іншого ланцюга (між ними виникає два водневих зв’язки), а гуаніну (Г) - із цитозином (Ц) (між ними виникає три водневих зв’язки).

Чітка відповідність нуклеотидів у двох ланцюгах ДНК має назву комплементарність. Взаємодіючи між собою, два ланцюги нуклеотидів молекули ДНК формують закручену праворуч спіраль діаметром приблизно 2 нм. Відстань між сусідніми комплементарними парами азотистих основ становить 0,34 нм, а крок спіралі дорівнює 3,4 нм і містить близько десяти пар основ. Так виникає вторинна структура молекули ДНК, тоді як первинна - це певна послідовність залишків нуклеотидів, розташованих у вигляді ланцюга.

Властивості ДНК

Так само як і молекули білків, молекули ДНК здатні до денатурації та ренатурації. За певних умов (дія кислот, лугів, високої температури) водневі зв’язки між комплементарними азотистими основами різних ланцюгів молекули ДНК розриваються. При цьому молекула ДНК повністю або частково розпадається на окремі ланцюги, і, відповідно, втрачає свою біологічну активність. Після припинення дії негативних чинників структура молекули може відновлюватись завдяки поновленню водневих зв’язків між комплементарними нуклеотидами.

У 1952 р. Дж. Уотсон та Ф. Крік, використовуючи правила Е. Чаргаффа та рентгенограми Розалінди Франклін і Моріса Уїлкінса, побудували просторову модель молекули ДНК. Дж. Уотсон відомий також тим, що з 1989 по 1992 р. був організатором і керівником проекту "Геном людини", завдяки якому було розшифровано послідовність нуклеотидів молекул ДНК людини. Дж. Уотсон став першою людиною у світі, чий геном був повністю розшифрований.

Важлива властивість молекул ДНК - їхня здатність до самоподвоєння. Це явище називають реплікацією. Воно ґрунтується на принципі комплементарності: послідовність нуклеотидів у новоствореному ланцюзі визначається їхнім розташуванням у ланцюзі материнської молекули ДНК. При цьому материнська молекула ДНК слугує матрицею.

Процес реплікації - самоподвоєння молекули ДНК: за участі ферменту розшиваються водневі зв’язки (1) і на кожному ланцюзі материнської молекули за принципом комплементарності добудовується дочірній (2)

Важлива властивість молекул ДНК - їхня здатність до самоподвоєння. Це явище називають реплікацією. Воно ґрунтується на принципі комплементарності: послідовність нуклеотидів у новоствореному ланцюзі визначається їхнім розташуванням у ланцюзі материнської молекули ДНК. При цьому материнська молекула ДНК слугує матрицею.

Функції ДНК

Основні функції ДНК - це кодування, збереження спадкової інформації та її передача дочірнім клітинам під час розмноження. Зокрема, окремі ланцюги молекули ДНК слугують матрицею для синтезу різних типів молекул РНК. Цей процес називають транскрипцією.

Одиницею спадковості всіх організмів є ген - ділянка молекули ДНК (у деяких вірусів - РНК). Ген містить спадкову інформацію про структуру певного білка або нуклеїнової кислоти.

Функціонально ген - цілісна одиниця спадковості, бо будь-які порушення його будови змінюють закодовану в ньому інформацію або призводять до її втрати. Гени поділяють на структурні, які кодують структуру білків і рибонуклеїнових кислот, та регуляторні, що слугують місцем приєднання ферментів та інших біологічно активних речовин. Регуляторні гени впливають на активність структурних і беруть участь у процесах подвоєння ДНК та переписування спадкової інформації на молекули РНК.

Сукупність усієї генетичної інформації, закодованої в генах певної клітини або цілісного організму, має назву генотип. Це цілісна інтегрована система, де окремі гени взаємодіють між собою. Кількість генів у різних організмів значно коливається.

Дайте відповіді на запитання:

1. Які особливості будови нуклеїнових кислот? 

2. Що спільного і відмінного в будові молекул ДНК і РНК? 

3. Які ви знаєте види РНК?

Замалюйте схему будови молекули ДНК та прикріпіть файл у це поле.