2. Нуклеиновые кислоты

Ещё в XIX веке было показано, что клетки содержат значительно раз-личающиеся по молекулярным массам полимерные кислоты, строение которых удалось установить только в конце 40-х гг. прошлого века. Высокомолекулярные фракции этих биополимеров были собраны в ядрах (nucleus) клеток, и поэтому они получили общее название нуклеиновые кислоты. При гидролизе высокомолекулярные нуклеиновые кислоты раз-лагались на производные пиримидина – тимин и цитозин, на производные пурина – аденин и гуанин, а также на дезоксирибозу и фосфорную кисло-ту; по сахаридной компоненте их называли дезоксирибонуклеиновыми кислотами (ДНК):

При гидролизе нуклеиновых кислот меньшей молекулярной массы получали урацил, цитозин, аденин, гуанин, рибозу и фосфорную кислоту; их стали называть рибонуклеиновыми кислотами (РНК):

Наряду с этими структурными элементами в продуктах гидролиза нуклеиновых кислот содержались также состоявшие из этих же молекул продукты неполного гидролиза более сложного строения, среди которых были построенные по принципу N-гликозидов продукты конденсации гете-роциклов и рибозы или дезоксирибозы – нуклеозиды, а также продукты фосфорилирования нуклеозидов по 5-положению – нуклеотиды и по 3‑положению рибозидного или, соответственно, дезоксирибозидного фрагмента, например:

Исходя из этого, можно было сделать вывод о том, что нуклеиновые кислоты представляют собой линейные продукты поликонденсации нукле-отидов, в которых к полимерной цепочке из чередующихся фрагментов ри-бозы (или дезоксирибозы) и фосфорной кислоты присоединены гетероцик-лические основания:

Урацил, тимин и цитозин относятся к производным гетероцикличес-кого соединения пиримидина, а аденин и гуанин – это производные пури-на. В метаболических процессах (но не в построении нуклеиновых кислот) участвуют также 6-гидроксипурин (гипоксантин) и 2,6-дигидроксипурин (ксантин), а 1,3,7-триметилксантин – это кофеин.

Гипоксантин Ксантин

Одним из продуктов метаболического превращения пуриновых осно-ваний является мочевая кислота – 2,6,8-тригидроксипурин. Это вещество плохо растворимо в воде и его отложение в тканях тела и в суставах явля-ется причиной болезни, известной под названием подагра.

Для всех оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот, харак-терна так называемая лактам-лактимная таутомерия. Так, например, на цитозине это выражается равновесием:

В лактимных формах возможны реакции гидролитического дезамини-рования, в результате которых, например, цитозин может превращаться в урацил, а гуанин – в ксантин:

Если в клетке есть эти гетероциклические основания, то биосинтез нуклеотидов идёт следующим образом: 5-фосфат (дезокси)рибозы фосфо-рилируется аденозинтрифосфатом по аномерной гидроксильной группе с образованием 1-пирофосфата 5-фосфо-‑(дезокси)-рибозы, например:

Затем пирофосфатное производное пентозы реагирует с азотистым основанием с образованием соответствующего ‑фосфо-(дезокси)рибозида и с выделением пирофосфата, который при этом гидролизуется на две молекулы фосфорной кислоты (чтобы реакция стала необратимой).

Так образуются аденозинмонофосфат (AMФ), гуанозинмонофосфат (ГМФ, на этой схеме представлен его биосинтез) и другие нуклеотиды (в латинской транскрипции CMP, UMP, dAMP, dGMP, dCMP и TMP).

Из представленной схемы следует, что роль азотистых оснований не сводится только к участию в образовании ДНК и РНК. В виде рибозидов они участвуют в образовании основного носителя свободной химической энергии аденозинтрифосфата (АТФ, АТР), его аналога гуанозинтрифос-фата (ГТФ, GTP), некоторых участвующих в метаболизме веществ, относя-щихся к коферментам, и других биомолекул.

По аналогичной схеме с участием АТФ идёт и поликонденсация нук-леотидов с образованием ДНК или РНК. ДНК представляет собой вещест-во, несущее наследственную информацию. В этих биополимерах записана вся программа построения многих вирусов, прокариотических клеток (у многих из них молекула ДНК – плазмида – имеет кольцевую структуру), эукариотических клеток и многоклеточных организмов. Собранные в кле-точном ядре эукариотической клетки молекулы ДНК включают генные участки. Ген – это часть гигантской молекулы ДНК, содержащая инфор-мацию о последовательности аминокислот, составляющих одну белковую молекулу. В эукариотических клетках в ходе их деления различаются компактные образования из различных белков и молекул ДНК, называемые хромосомами (от греч. – окрашиваемые тельца). Из всех составляющих клетки соединений только хромосомы подходили на роль носителей на-следственности, и именно содержащиеся в них молекулы ДНК лучше все-го соответствовали этой роли. Это было показано в различных эксперимен-тах. Одно из таких доказательств роли ДНК было получено в опытах на пневмококках. Мутантный невирулентный штамм этого микроорганизма можно было снова сделать вирулентным, добавив в среду, на которой он развивается, ДНК из вирулентного штамма. Для полного исключения воз-можного участия в этом белков, от которых ДНК на том этапе исследова-ний не удавалось очистить полностью, выделенную из вирулентных штам-мов ДНК обрабатывали дезоксирибонуклеазой, гидролизующей только ДНК; после этого продукт гидролиза терял способность переносить свойство вирулентности.

Синтез белка идёт в цитозоле на рибосомах, представляющих собой комплекс белков и рибосомальных рибонуклеиновых кислот (рРНК), а собранная в ядре эукариотических клеток ДНК передаёт информацию о аминокислотной последовательности белка с помощью ещё одной РНК – матричной (мРНК), синтезируемой на основе кодирующей цепи генного участка ДНК. Взаимоотношения ДНК – РНК – белок строятся по схеме:

Основа полимерной цепи ДНК представлена чередующимися моле-кулами фосфорной кислоты и дезоксирибозы, аномерные гидроксильные группы которой замещены на остатки тимина, цитозина, аденина и гуани-на. Эти фрагменты нуклеотидов и определяют пространственную органи-зацию ДНК, образуя знаменитую двойную спираль из двух цепей ДНК за счёт реализации водородных связей в парах аденин-тимин и цитозин-гуанин

Цепи ДНК в паре антипараллельны, одна из них кодирующая – на ней идёт синтез РНК, а другая комплементарная – по ней проверяются ошибки, нарушения структуры ДНК. Кодирование аминокислотной после-довательности в белке осуществляется тройками из нуклеотидных фраг-ментов. Здесь простая арифметика: пара из четырёх оснований даст только 16 различных сочетаний, а белковых аминокислот 20. Число возможных комбинаций из четырёх оснований по три равно 64. Из этого следует, что многие аминокислоты кодируются не одним, а несколькими триплетами (вырожденность генетического кода). Кодирующие аминокислоты тройки называют кодонами, и лишь три кодона не относятся ни к какой аминокис-лоте. Их обычно называют бессмысленными, но на самом деле у них есть смысл – они обозначают конец гена, завершение информации о белковой цепи на этом участке ДНК. Молекула РНК подобна комплементарной цепи ДНК, но вместо тиминового фрагмента у неё стоит урацильный:

Можно представить себе, что есть рамка считывания информации с молекулы ДНК, в которую входят три нуклеотидных участка. Смещения рамки за счёт выпадения одного нуклеотидного фрагмента (делеции) или добавления лишнего (вставки) приведут к транскрипции с образованием мРНК, трансляция с которой даст совсем другую аминокислотную после-довательность, причём синтезируемый с этим сбоем белок может оказаться достаточно большим, поскольку из 64 вариантов кодонов только три останавливают биосинтез белка.

На самом деле процесс считывания информации с ДНК гораздо слож-нее. Последовательность кодирующих белок участков ДНК в гене (экзоны) прерывается участками, которые не несут информации о белке – это так называемые интроны. При транскрипции сначала считывается вся после-довательность экзонов и интронов с образованием первичного транскрипта РНК, из которого затем вырезаются участки, соответствующие интронам, а экзонные участки соединяются в одну цепь – идёт процесс образования зрелой мРНК (сплайсинг). Понятно, что начало и конец интронов обозна-чены определённым сочетанием оснований: во всяком случае, все они на-чинаются с GU и кончаются AG (сплайсинг осуществляет аналог рибосо-мальной РНК – мяРНК – малая ядерная РНК). Биологическая роль инт-ронов состоит, очевидно, в облегчении эволюции живого за счёт ошибок в ходе сплайсинга с перетасовкой готовых блоков из РНК.

Как отмечалось во введении, именно РНК претендует сейчас на роль молекулы, с которой начиналось зарождение жизни. Одним из веских под-тверждений этому является возможность самополимеризации фрагментов РНК с образованием более длинных цепей, сворачивающихся в компакт-ные структуры с небольшими спиральными участками, которые аналогич-ны двойным спиралям ДНК. Кроме матричной и рибосомальной РНК, клетки содержат значительное количество других РНК с меньшей молеку-лярной массой, например, транспортные РНК (тРНК), которые при синтезе белка переносят аминокислоты к рибосомам, а также РНК с каталитичес-кой активностью (рибозимы). Интересно, что в составе этих «дополнитель-ных» РНК есть гетероциклические структурные элементы, отличные от входящих в состав ДНК и мРНК, например, инозин, 1-метил-гуанозин и псевдоуридин: