Нуклеиновые кислоты

Молекула ДНК—дезоксирибонуклеиновая кислота была от­крыта в клеточных ядрах еще в 1868 г. швейцарским врачом И. Ф. Мишером. Позднее узнали, что ДНК находится в хромосо­мах ядра. Но долгое время ДНК не привлекала внимание ученых, предполагавших, что это генетический материал, играющий, видимо, второстепенную структурную роль.

Вещество наследственности. Первые доказательства того, что ДНК заслуживает серьезного внимания, были получены в 1944 г. американскими бактериологами во главе с О. Эвери. Он много лет изучал пневмококки — микроорганизмы, вызываю­щие воспаление легких (пневмонию). О. Эвери смешивал два ви­да пневмококков, один из которых вызывал заболевание, а дру­гой — нет. Предварительно болезнетворные клетки убивали и за­тем добавляли к ним пневмококки, которые не вызывали заболе-

13

Рис. 3. Молекула ДНК

вания. Результаты опытов были удивительными: некоторые из живых клеток после контакта с убитыми «научились» вызывать болезнь. О. Эвери удалось выяснить природу вещества, участвую­щего в процессе передачи информации от мертвых клеток к жи­вым. Им оказалась ДНК. В настоящее время опыты О. Эвери счи­таются первым в истории генетики доказательством, что вещество наследственности, или гены, и есть молекула ДНК. Но в то время О. Эвери лишь изложил наблюдаемые факты, однако не смог их осмыслить теоретически.

Только спустя 9 лет, в 1953 г., никому тогда не известные Ф. Крик и Д. Уотсон, научные сотрудники Кавендишской лабо­ратории в Кембридже, поразили мир сенсацией. Им удалось по­строить модель ДНК. Оказалось, что изучить ее структуру очень трудно: огромные молекулы разрушались, едва к ним прикаса­лись, плохо кристаллизовались. Тогда Ф. Крик и Д. Уотсон использовали данные о химическом строении отдельных звень­ев — мономеров ДНК, полученные английскими учеными М. Уил-кинсом и Р. Франклином. Из отдельных элементов они стали со­бирать модель, максимально соответствующую картине, отобра­женной рентгеноструктурным анализом. В результате этой тру­доемкой работы у них сложилась модель молекулы, состоящей из двух полимерных цепочек, закрученных одна вокруг другой с образованием двойной спирали (рис. 3).

Логическое совершенство модели Уотсона — Крика. Модель Уотсона — Крика сразу убедила большинство ученых. Согласно этой модели каждая из цепочек молекулы ДНК состоит из четы­рех типов мономеров — нуклеотидов. В свою очередь, в состав нуклеотидов входят три компонента, соединенные прочными хи­мическими связями: 1) азотистое основание, 2) углевод (дезокси-рибоза), 3) остаток фосфорной кислоты. Азотистые основания — это пурины, имеющие двойное углеродно-азотное кольцо, и пи-римидины, имеющие одно такое кольцо. Пурины представлены аденином (А) и гуанином (Г), пиримидины—тимнном (Т) и цитозином (Ц).

В состав каждого нуклеотида входит одно из азотистых осно-

14

ваний. Соответственно содержащемуся азогистому основанию нуклеотиды и получили название: адениловый, гуаниловый, ти-мидиловый, цитоэиловый.

За счет фосфорной кислоты при определенных условиях нуклеотиды могут соединяться друг с другом обычными химичес­кими связями, образуя нуклеиновые кислоты. В одной молекуле ДНК может содержаться несколько десятков тысяч нуклеотидов, последовательность расположения которых определяет ее пер­вичную структуру (рис. 4).

Существенная особенность нуклеотидного состава ДНК — равенство количеств пуриновых и пиримидиновых оснований:

число адениловых нуклеотидов равно количеству тимидиловых, а количество гуаниловых равно числу цитидиловых (А=Т;

Г=Ц,). Причина эквивалентности пуриновых и пиримидиновых оснований в молекуле ДНК заключается в том, что те и другие являются комплементарными (от лат. комплементум — дополне­ние). Обе цепи ДНК соединены водородными связями и как бы дополняют друг друга. Всегда напротив А должно быть Т другой цепи, а напротив Т — А. Точно так же Г обязательно «требует» Ц, а Ц всегда Г.

Модель строения молекулы ДНК, предложенная Уотсоном — Криком, полностью подтвердилась экспериментально и сыграла исключительно важную роль в развитии молекулярной биологии и генетики.

Интересно, что спираль — самая распространенная форма во Вселенной, от атомов до галактик. Неслучайно, что и молекула ДНК имеет форму двойной спирали. Эта форма исключительно выгодна в тесноте микромира. У некоторых растений длина моле­кул ДНК достигает 40 м и заключается в клеточном ядре размером несколько микрон. Такая компактность упаковки достигается пу­тем плотного закручивания двойной спирали, отдельные витки ее сцеплены друг с другом как зубцы молнии.

Функции ДНК. Открытие принципа комплементарности стало поистине ключом к познанию явлений наследственности. Долго мучившая всех загадка, как именно удваивается ген, решалась изящно и просто. Ген — участок молекулы ДНК. Под действием ферментов молекула ДНК частично раскручивается и к каждой нити ДНК притягиваются свободные нуклеотиды, ранее синтези­рованные в цитоплазме. Новые нуклеотиды комплементарно при­соединяются к исходной цепи, играющей роль штампа, или мат­рицы. В результате из одной молекулы ДНК получаются две аб­солютно ей идентичные.

Основная функция ДНК — информационная: порядок распо­ложения ее четырех нуклеотидов несет важную информацию — определяет порядок расположения аминокислот в линейных мо­лекулах белков, т. е. их первичную структуру. Набор белков (ферментов, гормонов) определяет свойства клетки и организма. Молекулы ДНК хранят сведения об этих свойствах и передают их в поколения потомков, т. е. ДНК является носителем наслед­ственной информации.

РНК. РНК — рибонуклеиновая кислота очень похожа на ДНК и тоже построена из мономерных нуклеотидов четырех типов. Только в состав РНК вместо тимидинового нуклеотида входит похожий на него уридиловый — У (с азотистым основанием урацил), У, как и Т, всегда — в паре с А. Кроме того, в состав нуклеотидов РНК входит сахар — рибоза (отсюда и название РНК). Но главное отличие РНК от ДНК — одинарная, а не двой­ная цепочка молекулы.

Различают несколько видов РНК, все они принимают участие в реализации наследственной информации, хранящейся в моле­кулах ДНК, через синтез белка.

АТФ. Очень важную роль в биоэнергетике клетки играет адениловый нуклеотид, к которому присоединены два остатка фосфорной кислоты. Такое вещество называют аденозинтрифос-форной кислотой (АТФ). АТФ — универсальный биологический аккумулятор энергии: световая энергия Солнца и энергия, заклю­ченная в потребляемой пище, запасается в молекулах АТФ- Остат­ки фосфорной кислоты соединяются друг с другом и адениловым нуклеотидом двумя макроэргическими (богатыми энергией) свя­зями. Отщепление одного остатка от молекулы АТФ сопровожда­ется освобождением значительного количества энергии; в ре-

16

зультате образуется остаток молекулы АТФ — аденозиндифосфат (АДФ) и органический фосфат: АТФ-^АДФ+Ф+Е.

Энергию АТФ (Е) все клетки используют для процессов био­синтеза, движения нервных импульсов, свечении и других про­цессов жизнедеятельности.

ПРОВЕРЬТЕ СЕБЯ

1. Каковы строение и функции ДНК?

2. Фрагмент одной цепи молекулы ДНК состоит из следующих нуклеотидов:   А—Т—Ц—Г—Ц—Ц—Т—А—А— Г.

Напишите схему строения другой цепи.

3. В молекуле ДНК адениловых нуклеотидов насчитывается 23\% от общего числа нуклеотидов. Определите количество гимиди-ловых и цитидиловых нуклеотидов.

4. Сравните ДНК и РНК.

5. Сравните общую длину ДНК и общее количество нуклеотидов у бактерии, мухи дрозофилы, человека:

О чем свидетельствуют приведенные данные?