Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты, и в частности ДНК, являются ключевыми макромолекулами поддерживающими жизнь. ДНК несет наследственную информацию, которая передается от родителей к детям, предоставляя инструкции о том, как (и когда) производить различные белки, необходимые для построения и поддержания функционирования клеток, тканей и организма в целом.

Как ДНК хранит эту информацию и как её используют клетки и организмы — это сложный, удивительный и ошеломляющий процесс, мы изучим его подробнее в разделе молекулярной биологии. Здесь мы лишь кратко рассмотрим нуклеиновые кислоты на макромолекулярном уровне.

Нуклеиновые кислоты — макромолекулы, состоящие из единиц, называемых нуклеотидами, бывают двух видов: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). ДНК — это генетический материал, находящийся в живых организмах, от одноклеточных бактерий до многоклеточных млекопитающих, таких как вы и я. Некоторые вирусы используют РНК, а не ДНК, в качестве своего генетического материала, но по факту они не считаются живыми (поскольку не могут размножаться без помощи хозяина).

У эукариот, например, у растений и животных, ДНК находится в ядре, специализированном мембранном хранилище в клетке, а также в некоторых других типах органелл (таких как митохондрии и хлоропласты у растений). У прокариот, таких как бактерии, ДНК не заключена в отдельную мембранную оболочку, хотя она расположена в специализированной клеточной области, называемой нуклеоидом.

У эукариот ДНК обычно разделена на ряд очень длинных линейных фрагментов, называемых хромосомами, тогда как у прокариот, в том числе у бактерий, хромосомы намного меньше и часто круглые (в форме кольца). Хромосома может содержать десятки тысяч генов, каждый из которых содержит инструкции о том, как произвести конкретный продукт, необходимый клетке.

Многие гены кодируют белки, это означает, что они определяют последовательность аминокислот, используемых для создания определенного белка. Однако прежде чем эту информацию можно будет использовать для синтеза белка, необходимо сначала перевести информацию в РНК — этот этап называется транскрипцией. А этот тип РНК называется матричной РНК (мРНК), или информационной РНК, поскольку она переносит информацию от ДНК к рибосомам — молекулярным механизмам, которые считывают последовательность мРНК и используют её для создания белков. Этот переход от ДНК к РНК к белку называется «центральной догмой» молекулярной биологии.

Однако важно понимать, что не все гены кодируют белки. Например, некоторые гены участвуют в синтезе рибосомных РНК (рРНК), которые являются структурными компонентами рибосом, или участвую в синтезе транспортных РНК ( тРНК ), молекулы РНК в форме клеверного листа, которые переносят аминокислоты на рибосому для синтеза белка. Другие молекулы РНК, такие как крошечные микроРНК (миРНК), работают как регуляторы других генов. Все время обнаруживаются новые типы не кодирующих белок РНК.

ДНК и РНК являются полимерами (в случае ДНК, часто очень длинными полимерами) и состоят из мономеров, известных как нуклеотиды. Когда эти мономеры объединяются, полученная цепь называется полинуклеотидом (poly- = "много").

Каждый нуклеотид состоит из трех частей: азотсодержащей кольцевой структуры, называемой азотистым основанием, пятиуглеродного сахара и, по меньшей мере, одной фосфатной группы. Молекула сахара имеет центральное положение в нуклеотиде, причем основание присоединено к одному из его атомов углерода, а фосфатная группа (или группы) присоединена к другому. Давайте рассмотрим каждую часть нуклеотида более детально.

Азотистые основания нуклеотидов являются органическими (на основе углерода) молекулами, состоящими из азотсодержащих кольцевых структур.

Каждый нуклеотид в ДНК содержит одно из четырех возможных азотистых оснований: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T). Аденин и гуанин являются пуринами, что означает, что их структуры содержат два соединенных углерод-азотных кольца. Цитозин и тимин, напротив, являются пиримидинами и имеют одно углеродно-азотное кольцо. Нуклеотиды РНК могут также нести адениновые, гуаниновые и цитозиновые основания, однако вместо тимина у них есть другое пиримидиновое основание, называемое урацил (U). Как показано на рисунке выше, каждое основание имеет уникальную структуру с собственным набором функциональных групп, прикрепленных к кольцевой структуре.

В сокращениях, использующихся в молекулярной биологии, азотистые основания часто просто записываются однобуквенными символами, A, T, G, C и U. ДНК содержит A, T, G и C, в то время как РНК содержит A, U, G и C (то есть U заменяется на T).

В дополнение к немного отличающимся наборам оснований, нуклеотиды ДНК и РНК также имеют немного различающиеся молекулы сахара. Пятиуглеродный сахар в ДНК называется дезоксирибоза, а в РНК — рибоза. Оба они очень похожи по структуре, только с одним отличием: второй углерод рибозы имеет гидроксильную группу, тогда как эквивалентный углерод дезоксирибозы имеет водород. Атомы углерода молекулы сахара пронумерованы как 1′, 2′, 3′, 4′ и 5′ (1′ читается как «один шртих»), как показано на рисунке выше. В нуклеотиде сахар занимает центральное положение, при этом основание присоединено к его 1' углероду, а фосфатная группа (или группы) присоединена к его 5' углероду.

Нуклеотиды могут иметь одну фосфатную группу или цепочку из трёх фосфатных групп, присоединённых к 5’-атому углерода сахара. В некоторых химических источниках термин «нуклеотид» применяется только для соединений с одним фосфатом, но в молекулярной биологии он обычно рассматривается в более широком понимании$^1$start superscript, 1, end superscript

В клетке нуклеотид, который должен быть добавлен к концу полинуклеотидной цепи, будет нести серию из трех фосфатных групп. Когда нуклеотид присоединяется к растущей цепи ДНК или РНК, он теряет две фосфатные группы. Поэтому, в цепочке ДНК или РНК каждый нуклеотид имеет только одну фосфатную группу.

Последовательность нуклеотидов в полинуклеотидной цепи имеет направленность, это означает что разные ее концы отличаются друг от друга. На 5’-конце, в начале цепочки, расположена 5’-фосфатная группа первого нуклеотида. На 3’-конце, находится 3’-гидроксильная группа последнего нуклеотида. Последовательность нуклеотидов в ДНК обычно записана в направлении от 5’ к 3’ концу, что означает, первым идет нуклеотид на 5’-конце, а последним – нуклеотид на 3’-конце.

Нуклеотиды добавляются к цепи ДНК или РНК со стороны 3'-конца, причем 5'-фосфат нового нуклеотида присоединяется к гидроксильной группе на 3'-конце цепи. В результате получается цепочка, в которой каждый сахар соединён при помощи так называемых фосфодиэфирных связей.

Цепи дезоксирибонуклеиновой кислоты, или ДНК, обычно находятся в форме двойной спирали, это структура, в которой две совпадающие (комплементарные) цепочки соединены, как показано на диаграмме слева. Сахара и фосфаты находятся на внешней стороне спирали, образуя основу ДНК; эта часть молекулы иногда называется сахарно-фосфатной основой. Азотистые основания простираются внутрь, как ступеньки лестницы, попарно; пары оснований связаны друг с другом водородными связями.

Две нити спирали направлены в противоположные стороны, то есть 5'-конец одной нити соответствует 3'-концу второй. (Это называется антипараллельной ориентацией и важно для копирования ДНК.)

Итак, могут ли любые основания решить соединиться и образовать пару в двойной спирали? Конечно же, нет. Из-за размеров и функциональных групп оснований они образуют строго определённые пары: A может соединяться только с T, а G может соединяться только с C, как показано ниже. Это означает, что две нити двойной спирали ДНК связаны друг с другом очень предсказуемым образом.

Например, если вы знаете, что в одной цепи встречается последовательность 5’-AATTGGCC-3 ’, то во второй цепи в этом же месте должна быть последовательность 3’-TTAACCGG-5’. Благодаря этому каждое основание в спирали соответствует парному ему основанию:

Когда две последовательности ДНК совпадают таким образом, что они могут антипараллельно соединяться и образовывать двойную спираль, говорят, что они комплементарны.

Рибонуклеиновая кислота (РНК), в отличие от ДНК, обычно одноцепочечная. Нуклеотиды в цепи РНК состоят из рибозы (пятиуглеродный сахар), одного из четырех азотистых оснований (A, U, G или C) и фосфатной группы. Здесь мы рассмотрим четыре основных типа РНК: матричную РНК (мРНК), рибосомную РНК (рРНК), транспортную РНК (тРНК) и регуляторную РНК.

Матричная РНК (мРНК) является промежуточным звеном между геном, кодирующим белок, и его белковым продуктом. Если клетке необходимо вырабатывать определенный белок, то ген, кодирующий этот белок "включается", то есть фермент РНК-полимераза подходит к этому гену и делает его РНК-копию или транскрипт последовательности ДНК гена. РНК - транскрипт гена несет ту же информацию, что и его последовательность ДНК. Однако в молекуле РНК основание T заменено на U. Например, если кодирующая цепь ДНК имеет последовательность 5’-AATTGCGC-3 ’, то последовательность соответствующей РНК будет 5’-AAUUGCGC-3’.

Как только мРНК синтезирована, она связывается с рибосомой, молекулярным механизмом, который занимается «сборкой» белков из аминокислот. Рибосома использует информацию из мРНК для синтеза белка с определённой последовательностью аминокислот, «считывая» нуклеотиды мРНК кодонами — группами по три нуклеотида, а затем добавляя соответствующую каждому кодону аминокислоту.

Рибосомальная РНК (рРнк) – важный компонент рибосом, она связывает мРНК в положении, которое необходимо для считывания последовательности нуклеотидов. Некоторые рРНК ведут себя как ферменты, помогая ускорять (катализируя) химические реакции, в данном случае – реакцию образования пептидной связи между аминокислотой и синтезируемым белком. РНК, которые ведут себя как ферменты, называются рибозимы.

Транспортные РНК (тРНК) также участвуют в синтезе белков, но выполняют роль переносчика: доставляют аминокислоты в рибосому, проверяя, чтобы добавляемые в цепь аминокислоты соответствовали указанной в мРНК последовательности. Транспортные РНК состоят из одной цепи РНК, но в этой цепи встречаются комплементарные фрагменты, которые соединяются друг с другом, образуя двухцепочечные области. В результате такого спаривания оснований получается сложная трёхмерная структура, важная для работы молекулы.

Некоторые виды некодирующих РНК (то есть тех, которые не кодируют белки) помогают регулировать транскрипуию других генов. Такие РНК можно назвать регуляторными. Например, микроРНК (miRNA) и малые интерферирующие РНК (siRNA) — это небольшие регуляторные молекулы РНК, длина которых — около 22 нуклеотидов. Они связываются с соответствующими молекулами мРНК (частично или полностью комплементарными последовательностями) и снижают их стабильность или вмешиваются в их трансляцию, таким образом точно регулируя их количество.

Это лишь некоторые примеры из множества видов некодирующих и регуляторных РНК. Ученые до сих пор открывают всё новые их разновидности.

Хотите узнать больше о парных нуклеотидах? Посмотрите интерактивную статью от LabXchange.