Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты – сложные биологические полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.

Известно два типа нуклеиновых кислот – рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК). ДНК находится в ядре клетки (у эукариот) и в некоторых других органеллах (митохондриях и хлоропластах) и необходима для хранения генетической информации. Размер ДНК у разных организмов может варьировать от нескольких тысяч (у некоторых вирусов) до сотен миллиардов пар нуклеотидов, у человека размер ДНК составляет 3,2 миллиарда пар нуклеотидов. ДНК служи матрицей для синтеза РНК (этот процесс называется транскрипцией). Различают несколько типов РНК: матричные РНК (мРНК) кодируют информацию для синтеза какого-то определенного белка, транспортные РНК (тРНК) участвуют в переносе аминокислот к рибосомам, рибосомальные РНК (рРНК) входят в состав рибосом, кроме того, в последнее время описано большое количество различных типов малых РНК, участвующих в многочисленных регуляторных процессах.

↑Строение нуклеиновых кислот

Мономеры нуклеиновых кислот – нуклеотиды состоят из азотистого основания (аденина, цитозина, гуанина, тимина или урацила), соединенного N-гликозидной связью с пентозой (рибозой или дезоксирибозой) и остатка фосфорной кислоты. В молекуле ДНК количество аденинов равно количеству тиминов, а гуанинов – количеству цитозинов (правило Чаргаффа). На основании этого факта и данных рентгеноструктурного анализа Уотсон и Крик предложили модель двуспиральной структуры ДНК. Цепи ДНК являются полярными (у каждой цепи выделяют так называемые 3’- и 5’-концы), и в двойной спирали они направлены антипараллельно. При этом аденин в одной спирали находится напротив тимина другой, и между ними формируется две водородные связи, аналогично располагаются гуанин и цитозин, но они образуют три водородные связи (правило комплементарности). На основе правила комплементарности происходит синтез новых цепей ДНК (репликация) и РНК (транскрипция).

РНК отличается от ДНК тем, что вместо тимина в ней присутствует азотистое основание урацил, сахаром является рибоза (а не дезоксирибоза), и она обычно состоит из одной цепи. Однако, на непротяженных участках молекул РНК также возможно образование спиральных участков, в которых основания взаимодействуют по правилу комплементарности. Молекулы РНК к тому же могут иметь сложную трехмерную (третичную) структуру (например, транспортные РНК).

↑Функции нуклеиновых кислот

В последовательности нуклеотидов нуклеиновых кислот кодируется генетическая информация. Эта информация передается по наследству последующим поколения и используется для синтеза белков. При синтезе белка на матрице ДНК синтезируются молекулы мРНК (транскрипция), которые транспортируются из ядра в цитоплазму и служат матрицей для синтеза белка на рибосомах. Синтез мРНК (а точнее пре-мРНК) осуществляется сложным ферментативным комплексом РНК-полимеразой и находится под контролем множества регуляторных белков (транскрипционных факторов). У эукариот пре-мРНК после синтеза подвергается процессингу – из нее «вырезаются» некодирующие области (интроны), модифицируется 5’-конец (добавляется специальная «шапочка - кеп») и происходит полиаденилирование (добавляется различное количество остатков аденина) на 3’-конце. В итоге всех этих модификаций образуется зрелая мРНК. В таком виде мРНК транспортируется к рибосомам. Каждая аминокислоты будущего белка кодируются тремя нуклеотидами в мРНК (триплетами, кодонами), и это соответствие определяется генетическим кодом. Синтез белка (трансляция) начинается с кодона АУГ (стартовый кодон), который кодирует аминокислоту метионин (или формилметионин). Затем последовательно присоединяются аминокислоты, соответствующие следующим кодонам. Если в молекуле мРНК встречается кодоны УАА, УАГ и УГА (стоп-кодоны), то синтез белка прекращается, и рибосома отсоединяется от мРНК. Декодирование кодонов мРНК в аминокислоты белка осуществляется посредством транспортных РНК (тРНК). Для каждой аминокислоты существует своя специфическая тРНК, которая содержит антикодон, комплементарно взаимодействующий с кодоном мРНК, кодирующим данную аминокислоту. Кроме рибосом, мРНК и аминоацил-тРНК (тРНК, связанных с аминокислотой) для синтеза белка необходимы специальные белковые факторы (факторы инициации, элонгации и терминации трансляции). Кроме того, процесс синтеза белка находится под контролем многочисленных и разнообразных регуляторных белков.

Процесс копирования ДНК называется репликацией и этот процесс необходим доля передачи генетической информации по наследству. Практически у всех организмов репликация осуществляется по полуконсервативному механизму, то есть на основе каждой цепи ДНК синтезируется новая цепь, и в состав новой двойной цепи входит одна цепь исходной молекулы ДНК и одна вновь синтезированная цепь. В процессе репликации ДНК принимают участие множество ферментов. Среди них можно упомянуть топоизомеразы, «раскручивающие» двойную спираль ДНК, хеликазы разрывающие водородные связи между цепями ДНК, ДНК-полимеразы, непосредственно синтезирующие новые цепи ДНК, специальные РНК-полимеразы (праймазы) синтезирующие РНК-затравки, с которых начинается синтез ДНК, а также ДНК-лигазы «сшивающие» между собой короткие вновь синтезированные фрагменты ДНК.