Общая характеристика строения нуклеиновых кислот

Компоненты нуклеиновых кислот. При полном гидролизе нуклеиновых кислот образуются пуриновые и пиримидиновые азотистые основания, моносахарид пентоза (рибоза или дезоксирибоза) и фосфорная кислота.

Все нуклеиновые кислоты делятся на два типа в зависимости от того, какой моносахарид входит в их состав. Нуклеиновая кислота называется рибонуклеиновой (РНК), если в ее состав входит рибоза, или дезоксирибонуклеиновой (ДНК), если в ее состав входит дезоксирибоза.

Пентозы в нуклеиновых кислотах присутствуют всегда в β-D-фуранозной форме:

β-D-Рибофураноза β-2-Дезокси-D-рибофураноза

(рибоза) (дезоксирибоза)

Пуриновые и пиримидиновые азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот, являются производными ароматических гетероциклических соединений — пурина и пиримидина. Молекула пурина состоит из двух конденсированных колец: пиримидина и имидазола. Среди пуриновых азотистых оснований главную роль играют аденин (А) и гуанин (Г), а среди пиримидиновых оснований— цитозин (Ц), урацил (У), тимин (Т; 5-метилурацил):

В состав ДНК входят аденин, гуанин, цитозин, тимин; в РНК вместо тимина присутствует урацил. Ниже приведены одинаковыеи отличающиеся компоненты ДНК и РНК.

Одинаковые компоненты Отличающиеся компоненты

Аденин ДНК РНК

Гуанин Дезоксирибоза Рибоза

Цитозин Тимин Урацил

Кроме главных азотистых оснований в нуклеиновых кислотах присутствуют в небольших количествах необычные — минорные основания. Так, в состав ДНК высших организмов входит 5-метилцитозин, содержание которого у высших растений намного превышает его содержание у животных. В ДНК ряда бактерий встречаются небольшие количества 6-метиладенина и 5-метилцитозина. Эти метилированные основания защищают «свои» ДНК от расщепления ферментами — ДНКазами. В ДНК Т-четных фагов Е. coli цитозин заменен на 5-гидроксиметилцитозин. В некоторых случаях его гидроксиметильная группа соединена с глюкозой. Особенно много минорных компонентов содержится в транспортных РНК: тиоурацил, дигидроурацил, псевдоуридин, ксантин (2,6-диоксипурин), гипоксантин (6-оксипурин), ацетилцитозин, оротовая кислота и другие, всего около 60.

Трехмерная структура различных пуриновых и пиримидиновых оснований была исследована методом рентгеноструктурного анализа. Молекулы пиримидинов имеют плоское строение, а молекулы пуринов — почти плоское. Все они, кроме аденина, существуют в таутомерных формах. Так, урацил может находиться в форме или лактима, или лактама:

В составе нуклеиновых кислот все оксопроизводные азотистые основания присутствуют в форме лактамов. Азотистые основания поглощают свет в ультрафиолетовой области спектра с длинами волн 200—300 нм и максимумом около 260 нм. Это свойство используют при количественном определении нуклеиновых кислот.

В процессе обмена веществ растений и животных пуриновые основания образуют ряд продуктов: мочевую кислоту, кофеин, теобромин. В последние годы некоторые синтетические пиримидины широко используют в качестве биологически активных соединений.

Нуклеозиды и нуклеотиды. В нуклеиновых кислотах пуриновые авотистые основания через 9-й атом, а пиримидиновые — через 1-й образуют N-гликозидную связь с пентозой рибозой или 2'-дезоксирибозой.

Такие соединения, в которых азотистые основания связаны с рибозой или дезоксирибозой, называются нуклеозидами, а их фосфорные эфиры — нуклеотидами. Если аденин присоединяется к рибозе, то получается нуклеозид аденозин. Если к аденозину присоединяется остаток фосфорной кислоты в 5'-положении, то образуется 5'-адениловая кислота, или аденозин-5'-монофосфат, если в З'-положении — то.З'-адениловая кислота, или аденозин-З'-монофосфат. Номенклатура нуклеозидов и нуклеотидов приведена в табл. 6. Фосфат может этерифицировать сахар также в 2'- или З'-положении.

Все нуклеотиды — сильные кислоты, так как остаток фосфорной кислоты легко диссоциирует. К нуклеозидмонофосфату могут присоединиться посредством фосфоангидридной связи еще один или два остатка фосфорной кислоты. При этом образуются нуклеозидди- и нуклеозидтрифосфаты. Если в состав нуклеозида входит дезоксирибоза, то перед названием соответствующего нуклеотида ставится приставка дезокси, например, д-АТФ-дезоксиаденозин-5'-трифосфат.

Строение полинуклеотидной цепи. Нуклеотиды — это повторяющиеся мономерные единицы олигонуклеотидов и полинуклеотидов. Олигонуклеотиды построены из нескольких мономеров, полинуклеотиды — из многих. Нуклеиновые кислоты представляют собой полинуклеотиды, построенные из мономеров — нуклеотидов, число которых колеблется от 7 десятков до сотен миллионов.

Молекулы нуклеиновых кислот всех типов живых организмов — линейные полимеры, не имеющие разветвлений, что доказано с помощью ряда методов (химических, ферментативных, электронной микроскопии). Наличие так называемых палиндромных шпилек, образующих своеобразные боковые отростки от линейной цепи ДНК, не следует считать нарушением ее линейности,

Таблица 6. Номенклатура нуклеозидов и нуклеотидов

так как в пределах каждой шпильки линейность структуры сохраняется. При суперспирализации ДНК также могут возникать своеобразные структуры, однако это тоже будут различные изгибы непрерывно продолжающейся линейной цепи. Роль мостика между нуклеотидами выполняет 3', 5'-фосфодиэфирная связь, соединяющая С-3' D-рибозы (или З'-дезоксирибозы) одного нуклеотида и С-5' другого.

В связи с этим полинуклеотидная цепь имеет определенное направление. На одном ее конце остается свободной 5'-ОН-группа (начало цепи), на другом — 3'-ОН-группа (конец цепи). Концевые гидроксильные группы могут быть этерифицированы фосфатом. Полное написание полинуклеотидных цепей сложно и громоздко, поэтому применяют схематическое изображение.

Полинуклеотидная цепь несет множество фосфатных групп, которые легко диссоциируют, вследствие чего она приобретает отрицательный заряд. В связи с этим нуклеиновые кислоты в клетке во многих случаях связываются с основными белками, образуя нуклеопротеины. РНК входят в состав рибонуклео протеинов (РНП), ДНК — дезоксирибонуклеопротеинов (ДНП).

В препаратах ДНК обнаруживаются в малых количествах Si, Mg, Са, Sr и ряд других микроэлементов, которые, по-видимому, участвуют в стабилизации структуры. Есть предположение, что кремний в форме кремниевой кислоты может в некоторых случаях заменять фосфатные остатки в молекуле ДНК.