Нуклеїнові кислоти. 
Атомний та молекулярний рівень хімічного складу клітини

Вперше виявлено в ядрі клітини, звідки й походить назва цих сполук (від лат. nucleus — ядро). До складу молекул нуклеїнових кислот, крім органогенних елементів (С, Н, О, N), неодмінно входить фосфор (Р).

Нуклеїнові кислоти — це біополімери, мономерами яких є нуклеотиди (від лат. nuсleus — ядро).

Молекула нуклеотиду складається із залишків таких компонентів:

• o азотиста (нітратна) основа — речовина зі складною циклічною структурою молекули — у великій кількості містить карбон і нітроген; основою називається тому, що має основні властивості; розрізняють п’ять видів азотистих основ:
  • — аденін (скорочено позначається А);
  • — гуанін (Г);
  • — цитозин (Ц);
  • — тимін (Т);
  • — урацил (У);
• o п’ятикарбоновий (п'ятивуглецевий) моносахарид — пентоза; розрізняють: рибозу та дезоксирибозу; вони відрізняються лише тим, що в дезоксирибозі (тобто позбавленій О рибозі) біля другого атома С розташована не гідроксильна група (-ОН), а Н; аденін, гуанін і цитозин утворюють нуклеотиди як із рибозою, так і з дезоксирибозою; тимін — лише з дезоксирибозою, а урацил — лише з рибозою;
• o залишок фосфорної кислоти (фосфат), наявність якого визначає кислотні властивості нуклеотиду.

Схема молекули нуклеотиду (схема 1):

Крім нуклеотидів, що входять до складу нуклеїнових кислот, неодмінним компонентом будь-якої клітини є вільні нуклеотиди. До складу вільних нуклеотидів входять, крім азотистої основи і пентози, три залишки фосфорної кислоти, які послідовно сполучаються. Причому друга і третя групи фосфорної кислоти приєднуються до нуклеотиду особливими зв' язками, у яких запасається енергія. Ці зв' язки називають макроергічними (від грецьк. makros — великий, ergon — робота) і позначаються значком ~. При розриві звичайного ковалентного зв’язку вивільняється 12 кДж/моль, а при розриві макроергічного зв’язку — 33 кДж/моль. Саме макроергічні зв' язки в нуклеотидах використовуються для запасання енергії в ході обміну речовин.

Найчастіше роль акумулятора енергії виконує аденозинтрифосфат (АТФ). АТФ складається з азотистої основи — аденіну, пентози — рибози і трьох залишків фосфорної кислоти (фосфатів), які послідовно сполучаються макроергічними зв' язками.

Схема молекули АТФ (схема 2):

Будь-яка хімічна реакція, що потребує затрат енергії, пов’язана з відщепленням одного залишку фосфорної кислоти в молекулі АТФ і перетворення її на аденозиндифосфат (АДФ). Накопичення енергії в клітині, навпаки, відбувається за рахунок перетворення АДФ на АТФ.

Мононуклеотиди (нуклеотиди, які містять лише один залишок фосфорної кислоти), так само, як амінокислоти і моносахариди, здатні реагувати між собою. Перебіг такої реакції супроводиться виділенням молекули води і утворенням міцного ефірного зв' язку. Сполучною речовиною між нуклеотидами слугує залишок фосфорної кислоти, що скріплює пентози сусідніх нуклеотидів, формуючи полімер — полінук-леотид, який звичайно називають нуклеїновою кислотою. Вона може містити від кількох сотень до кількох мільйонів нуклеотидів. Полінук-леотиди мають суворо лінійну структуру ланцюга. Маса нуклеїнових кислот, як правило, значно вища від маси білків.

Залежно від виду пентози, що входить до складу нуклеотиду, розрізняють два типи нуклеїнових кислот:дезоксирибонуклеїнову (ДНК) та рибонуклеїнову (РНК). До складу ДНК входить залишок дезоксирибози, а РНК — рибози. У молекулі ДНК містяться залишки таких азотистих основ: аденіну, гуаніну, цитозину і тиміну. У молекулі РНК містяться залишки таких азотистих основ: аденіну, гуаніну, цитозину і урацилу.

Отже, до складу молекули ДНК і РНК входить по чотири типи нук-леотидів, які відрізняються за типом азотистої основи.

Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) зосереджена в ядрі, її практично немає в цитоплазмі клітини. Цей тип нуклеїнових кислот утворює дуже великі молекули (масою до 100 000 000). Вміст ДНК в ядрі клітини постійний, вона виконує єдину функцію — зберігає генетичну інформацію.

Ген (від грец. genos — походження) — це ділянка молекули нуклеїнової кислоти, яка визначає спадкові ознаки організмів.

• 1950 року американський вчений Ервін Чаргафф та його колеги, досліджуючи склад ДНК, виявили певні закономірності кількісного вмісту залишків азотистих основ у її молекулі:
  • — кількість аденінових залишків у будь-якій молекулі ДНК дорівнює числу тимінових (А=Т), а гуанінових — цитозинових (Г=Ц);
  • — сума аденінових і гуанінових залишків дорівнює сумі тимінових і цитозинових (А+Г=Т+Ц).

Таке співвідношення азотистих основ у молекулі ДНК дістало назву правила Чаргаффа, або правила еквівалентності.

Це відкриття сприяло встановленню просторової структури ДНК (рис.1) і визначенню її ролі в перенесенні спадкової інформації від материнської клітини до дочірньої. 1953 року американські вчені Джеймс Уотсон і Френсіс Крик довели, що молекула ДНК складається з двох з'єднаних полінуклеотидних ланцюгів, які являють собою спіраль, закручену вправо. Діаметр спіралі ДНК дорівнює 210^-9 м, а відстань між сусідніми нуклеотидами — 0,34 o 10^-9 м. На один виток спіралі припадає 10 нуклеотидів.

Рис. 1. Просторова структура ДНК.

Полінуклеотидні ланцюги сполучаються водневими зв’язками, що виникають між азотистими основами, розміщеними навпроти одна до одної.

Між аденіном і тиміном утворюються два водневих зв’язки, а між гуаніном і цитозином — три. Водневі зв’язки дуже слабкі, але завдяки багаторазовому повторенню вони утворюють дуже міцну структуру, яка водночас є лабільною, що надає спіралі ДНК можливості легко розкручуватися, а потім знову швидко відновлювати дволанцюгову структуру.

Молекули А-Т і Г-Ц ніби доповнюють одна одну. Здатність доповнювати одна одну, притаманна поверхням хімічних сполук, що взаємодіють, називається комплементарністю (від лат. komplementum — доповнення).

Схема будови подвійної спіралі ДНК (схема 3).

Молекули ДНК, так само як і білки, утворюють кілька рівнів просторової організації:

• o первинна структура ДНК — це певна послідовність розташування нуклеотидів у ланцюзі ДНК;
• o вторинна структура ДНК — це подвійна спіраль;
• o третинна структура ДНК — це суперспіраль (багаторазове згортання); саме така структура ДНК в ядрі клітині. Така укладка здійснюється за допомогою спеціальних білків — гістонів, що мають лужні властивості, а молекули ДНК намотуються на ці білки наче нитки на котушку. Завдяки цьому молекула ДНК, довжина якої, наприклад в людини, 8 см, укладається в клітинне ядро, що його можна розглянути лише під мікроскопом.

Схема 3. Схема будови подвійної спіралі ДНК (на схемі фосфат позначено літерою Р).

ДНК, як і білки, можуть денатурувати (втрачати геометричну форму і розпадатися на одинарні ланцюги) під впливом різних чинників. Цей процес відбувається при температурі +70°С, — значно вищій від температури денатурації білків, і тому називається плавленням. За певних умов можливе й відновлення природної структури — ренатурація.

Процес синтезу ДНК розпочинається перед поділом клітини і зумовлений складанням нового полінуклеотидного ланцюга за матрицею старого ланцюга. Цей процес називається реплікацією (від лат. герігсаґго — відбивати) і відбувається в такій послідовності:

• o спочатку під дією спеціальних ферментів подвійна спіраль розкручується і утворюється реплікативна вилка;
• o майже відразу завдяки ферменту ДНК-полімеразі починається ферментативне складання нових полінуклеотидних ланцюгів: фермент пересувається уздовж кожної нитки ДНК і послідовно створює комплементарну нитку ДНК.

Схему процесу реплікації подано на рис. 2.

Синтез полімерів, коли один ланцюг слугує еталоном, матрицею для іншого, називається матричним синтезом. Особливостями цього синтезу є точність копіювання і висока швидкість перебігу реакцій. Висока точність реплікації досягається завдяки комплементарності азотистих основ.

Надійність копіювання — це надзвичайно важлива властивість процесу реплікації, бо помилки в копіюванні нуклеотидних послідовностей ДНК призводять до помилкового синтезу ферментів, що неминуче порушує регуляцію основних функцій організму, наслідком чого є зниження його життєздатності. Ці порушення є спадковими.

А — дволанцюгова молекула ДНК: 1 — перший ланцюг ДНК; 2 — другий ланцюг ДНК; Б — утворення реплікативної вилки; В — синтез комплементарних ланцюгів: 3 — нуклеотиди, які добудовують комплементарний ланцюг ДНК; Г — синтезовані дві однакові молекули ДНК.

Рибонуклеїнові кислоти (РНК) містяться як в ядрі клітини, так і в цитоплазмі, і відзначаються незначними розмірами — від 75 до кількох тисяч нуклеотидів. Молекули РНК, на відміну від ДНК, складаються лише з одного ланцюга (схема 4).

Схема 4. Схема будови РНК (на схемі фосфат позначено літерою Р).

Відомо три основні типи РНК:

• 1) транспортна (тРНК) — це невеликий полінуклеотид, що складається в середньому з 80 нуклеотидів; вона виконує функцію транспортування амінокислот під час синтезу білків;
• 2) інформаційна (іРНК), або матрична (мРНК) — містить інформацію про послідовність структури різних білків, тому має різноманітну структуру і розмір у багато разів більший за тРНК;
• 3) рибосомна (рРНК) — є головний компонент рибосом — органел клітини, у яких відбувається синтез білка.

Усі типи РНК синтезуються на молекулах ДНК у процесі транскрипції (від лат. transcriptio — переписування). Ферменти розплітають спіраль ДНК на невеликій ділянці, пересуваються уздовж однієї нитки ДНК і послідовно створюють комплементарну нитку РНК.

Схематичне зображення процесу транскрипції подано на рис. 3.

Відмінність транскрипції від реплікації полягає в тому, що навпроти, А в ланцюгу ДНК в РНК розміститься У, а не Т.

Усі типи РНК беруть тільки в певному, але надзвичайно важливому для життя клітини процесі - біосинтезі білка. Він забезпечує оновлення білків, ріст і функціонування клітин.