Книга: Три тайны жизни

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты

В протоплазме клеток, кроме белков, углеводов и жиров, содержится еще одно очень сложное органическое вещество. Его впервые выделил ученый Мишер еще в 1870 году из ядер клеток и поэтому назвал нуклеиновой кислотой (нуклес — ядро). Несколько позже нуклеиновую кислоту обнаружили и в цитоплазме клеток. Многие десятилетия на эти кислоты ученые не обращали серьезного внимания. Только в пятидесятые годы нашего века нуклеиновые кислоты стали изучать комплексными современными методами.

Нуклеиновые кислоты, как и белки, очень сложно устроены. Их молекулярный вес бывает значительно больше, чем у самых сложных белков. Недавно была обнаружена нуклеиновая кислота, молекулярный вес которой составлял более миллиарда, а длина такой молекулы достигает 50–60 миллимикрон. Обычно длина молекулы нуклеиновых кислот составляет около 5 миллимикрон, тогда как самые крупные белковые молекулы имеют молекулярный вес от нескольких сот тысяч до десяти миллионов, а длина их составляет десятые доли миллимикрона (0,1–0,2).

В настоящее время выделено и изучено два вида нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая (сокращенно РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК)[9].

Две полинуклеотидные цепи с парами оснований, связанных водородными мостиками в молекуле ДНК.

Кислоты эти состоят из отдельных звеньев, или мономеров. У белков такими звеньями являются аминокислоты, а у нуклеиновых кислот — нуклеотиды. В состав каждого нуклеотида входят азотистые основания — пиримидиновые и пуриновые, остатки фосфорной кислоты (фосфат) и сахара. В состав азотистых оснований входят четыре вещества: аденин, цитозин, гуанин, тимин. Но обе нуклеиновые кислоты различаются между собой по сложности строения, молекулярному весу и химическому составу. Рибонуклеиновая кислота имеет две химические особенности: во-первых, вместо азотистого основания тимина в нуклеотиды РНК входит урацил, а углевод пентоза (дезоксирибоза С₅Н₁₀О₄) заменен в РНК на рибозу (С₅Н₁₀О₅), которая содержит на один атом кислорода больше. Молекулярный вес ДНК, как правило, больше, чем у РНК.

Подобно аминокислотам в белковой молекуле нуклеотиды способны образовывать длинные цепи, соединяясь друг с другом в любой последовательности. Особенно длинные цепочки образуют нуклеотиды ДНК.

Наиболее крупные молекулы ДНК можно видеть в электронный микроскоп. Но чтобы изучить их внутреннюю структуру, потребовалась огромная изобретательность. Только с помощью специальных физических методов рентгено-структурного анализа в сочетании с теоретическими исследованиями удалось определить внутреннюю структуру молекулы ДНК.

По внешнему виду молекулы ДНК представляют собой свитую двойную спиральную цепочку. В общем она напоминает винтовую лестницу. Каждая «ступенька» этой своеобразной лестницы образована двумя азотистыми основаниями, соединенными между собой водородной связью. «Перилами» же этой лестницы служат цепочки из чередующихся атомных групп фосфорной кислоты и сахаров — дезоксирибоз.

Исследования показали, что «ступеньки» молекулярной лестницы ДНК соединяются между собой атомом водорода в строго определенных комбинациях. Оказалось, что основания аденин и гуанин имеют длину по двенадцать ангстрем (ангстрем — десятимиллионная доля миллиметра), а тимин и цитозин немного короче — по восемь ангстрем. Расстояние между «перилами» цепи повсюду одинаково и равно двадцати ангстрем. Это означает, что одно из оснований любой «ступеньки» должно быть большим, а другое меньшим, то есть возможны только вполне определенные комбинации оснований. Они таковы: аденин — тимин и гуанин — цитозин; или перевернутые: тимин — аденин и цитозин — гуанин. Только в таких комбинациях и встречаются азотистые основания в двойных молекулах ДНК. Если удалить одно из оснований в молекуле, то его место должно занять тоже основание, так как никакое другое не подойдет либо по геометрическим размерам, либо по способности к образованию химической связи.

При определенных условиях молекулы ДНК могут разворачиваться и раздваиваться вдоль оси на две совершенно одинаковые (комплементарные) части. Расщепление цепи молекулы ДНК происходит по водородной связи. Если поместить образовавшиеся половинки молекулы ДНК в химическую среду, где в большом количестве содержатся различные нуклеотиды, и создать соответствующие условия, то они автоматически достраиваются до полных молекул и, стало быть, из двух половинок исходной молекулы образуется две новых молекулы ДНК. Причем эти «дочерние» молекулы будут полностью скопированы с «материнской», так как место каждого азотистого основания, а следовательно и всего нуклеотида, строго обусловлено.

Молекулы ДНК обладают замечательным, только им присущим свойством самокопирования. При самоудвоении молекул ДНК происходит образование точных копий исходных. Молекулы же белков не могут сами собой синтезироваться из аминокислот по образцу уже существующих. До недавнего времени оставалась еще загадкой способность живых клеток создавать белки, специфические для данного организма. После открытия самокопирования ДНК была высказана мысль об участии нуклеиновых кислот в синтезе белков.

Конкретная нуклеиновая кислота, как и конкретный белок, имеет «индивидуальность», только у белков она выражается специфической последовательностью аминокислот, а у нуклеиновой кислоты — присущей только ей последовательностью нуклеотидов. Но нуклеиновая кислота передает свою индивидуальность «потомкам»— молекулам-копиям, а белок нет.

Нуклеиновые кислоты располагаются (локализуются) в клетках живых организмов очень своеобразно. ДНК обнаруживается в ядрах клеток, хотя в последнее время установлено наличие специфической ДНК в некоторых органоидах клетки (хондриосомах и пластидах). РНК имеет более широкое распространение в клеточной протоплазме. Основная масса РНК сосредоточена в цитоплазме и рибосомах (за высокое содержание РНК они и получили такое название). Имеется РНК также и в ядрах, где она концентрируется в ядрышках и отчасти в хромосомах.

Днк имеет самый высокий молекулярный вес из всех органических веществ: порядка нескольких десятков миллионов. Молекулярный вес РНК меньше, но колеблется от нескольких тысяч до одного-двух миллионов в зависимости от природы молекулы.

За последние годы была установлена тесная взаимосвязь между белками и нуклеиновыми кислотами. Если белкам в организме принадлежит своего рода исполнительная роль, то нуклеиновые кислоты — «законодатели» внутриклеточных процессов, они оказались причастны к синтезу белков в организме.