Что такое нуклеиновые кислоты
Понимание истинной роли этих веществ было результатом многолетних, кропотливых исследований. Дезоксирибонуклеиновая кислота впервые была выделена Ф. Мишером в 1869 г.; прошло почти столетие, прежде чем было выяснено ее строение. Было доказано, что структура молекул нуклеиновых кислот действительно представляет собой своеобразную программу построения организма и является тем кодом, которым природа в сжатой форме записывает свои планы. Ознакомимся подробнее со структурой нуклеиновых кислот.
Нуклеиновые кислоты — обязательная составная часть клетки и главным образом клеточного ядра, построены из структурных элементов пуриновых и пиридиновых оснований, углеводов и фосфатных групп.
Рис. . Схематическое изображение двойной спирали ДНК (по Уотсону и Крику).
Молекулы нуклеиновых кислот имеют цепочечное строение, причем каждое звено цепи построено по типу
—углевод—остаток фосфорной кислоты—
|
органическое основание
РНК для чего
Углевод — это рибоза или дезоксирибоза. Получающаяся нуклеиновая кислота называется соответственно рибонуклеиновой (РНК) или дезоксирибонуклеиновой (ДНК). Органические основания относятся к группе пуринов или пиримидинов. Пурины— аденин и гуанин — одинаковы и у РНК и у ДНК. Пиримидины отличаются только одним основанием: РНК содержит цитозин и урацил, а ДНК — цитозин и тимин (иногда встречаются ДНК, у которых имеются звенья, содержащие метилцитозин и оксиметилцитозин). ДНК находится только в ядре клеток, где она соединена с белками, РНК обнаруживается как в ядре, так и в цитоплазме. РНК выполняет основные функции в сложном процессе образования белков, а ДНК регулирует синтез РНК и влияет на передачу наследственных признаков.
Молекула-гигант ДНК очень хрупкая частица, распад ее можно вызвать даже действием струи текущей жидкости. Применяя тонкий метод фотографирования, А. Клейншмидт получил фотографию молекулы ДНК (из частиц фага Т2) при увеличении в 75 000 раз. Огромная молекула содержала 100 000 пар оснований и имела длину 5,2•10-3 см. По данным А. Кернса, длина молекулы ДНК бактерии кишечная палочка достигает почти 1 мм, ее молекулярная масса равна 2•109. Общая длина молекул ДНК в клетке человека составляет 1—3 мм, она в виде плотного клубка размещается в ядре.
ДНК сосредоточена в хромосомах, ее особенностью является устойчивость в процессах обмена. Природа словно боится затронуть это важнейшее соединение, и реакции обмена веществ (метаболизма) как будто и не касаются драгоценной молекулы ДНК, в которой на таинственном языке записан план строительства будущего организма. В сложных молекулах биологически активных соединений часто наблюдается обмен групп или крупных фрагментов, если молекула находится в среде, содержащей эти группы. Так, белки, помещенные в среду, содержащую определенные аминокислоты, обменивают свои аминокислотные остатки на остатки аминокислот, имеющихся в окружающей среде. Процессы обмена изучаются изотопными методами. В молекулы вещества вводится радиоактивный атом — молекула «метится», и ее включение в состав белка удается зарегистрировать по появлению радиоактивности у белковых частиц. В молекуле ДНК содержится аденин. Если поместить ДНК в среду, содержащую меченый аденин, то можно убедиться, что аденин из среды не включается в молекулу ДНК — обмен не происходит. Если клетки начинают делиться, то меченая молекула входит в состав ДНК, но в дальнейшем остается в ней и ни в какие обменные процессы не вступает.
Рис. 3. Строение и удвоение молекулы ДНК.
а — пары оснований в двух ветвях двойной спирали связаны водородными связями; б — двойная спираль раскручивается и к каждой ветви присоединяются основания, в результате получаются две новые спирали ДНК.
В молекулах нуклеиновых кислот может содержаться различное число нуклеотидов; по-видимому, наименьшее число равно 77 (по Богену), а наибольшее число точно неизвестно, но, несомненно, составляет несколько миллионов.
Нуклеиновые кислоты в клетках не свободны. Их огромные молекулы, несущие отрицательные заряды (благодаря наличию остатков фосфорной кислоты), действуют как полианионы: вполне естественно, что они вступают в соединения с белками, образуя нуклеопротеиды. Нуклеопротеиды могут даже содержать в одном комплексе и РНК и ДНК, так что получается соединение РНК—ДНК —белок. Кроме того, наблюдается и включение в состав нуклеопротеидов некоторых липидов, в результате образуются нуклеопротеиднолипидные комплексы. Несмотря на важность всех этих соединений, они еще до сих пор недостаточно изучены, что, конечно, обусловлено трудностями исследований этих сложных и неустойчивых молекул. ДНК — одно из наиболее удивительных веществ жизни. Ее гигантская молекула, состоящая из фосфатных и углеводных звеньев, по всей длине увешана органическими основаниями, т. е. молекулами аденина (А), тинина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц); эти А, Т, Г, Ц расположены как будто без всякого порядка, и вся картина в целом напоминает криптограмму, скрывающую многозначительный текст. Криптограмму удалось прочесть, и содержание ее и в самом деле оказалось столь поразительным, что может считаться одним из наиболее ярких открытий, сделанных человеком за первую половину XX в.
Прежде всего было установлено, что свернутая в клубок молекула ДНК имеет форму двойной спирали и состоит из двух антипараллельных ветвей. Спираль ДНК, как и белковая спираль, сохраняет форму за счет действия водородных связей. Связи соединяют попарно основания одной ветви с основаниями другой, т. е. соединяются аденин с тимином и гуанин с цитозином. Цитозин в силу особенностей своей структуры образует три водородные связи. Водородные связи довольно слабы, но если их много, то общее (кооперативное) действие их достаточно для сохранения спиральной конфигурации ДНК. Почему образуется именно двойная спираль? Ответ на этот вопрос неожидан: молекула ДНК способна размножаться! В среде, которая содержит нуклеозиды и соответствующие ферменты, молекула ДНК раскручивается, и к каждой одиночной ветви присоединяются нуклеозиды все по тому же принципу (дополнительности, или, как иногда говорят, комплементарности), т. е. к основанию А ветви ДНК присоединяется водородными связями основание Т нуклеозида, к основанию Г — основание Ц. В результате получаются две новые двойные спирали, две новые молекулы ДНК.
С какой же скоростью происходит процесс раскручивания? Подсчеты были основаны на оценке времени, требуемого для удвоения ДНК. Они дали поразительные результаты: молекула ДНК раскручивается быстрее, чем вращается вал мотора автомобиля,— за минуту молекула делает 10 000 оборотов! И это еще в условиях, когда ДНК плотно свернута и занимает сравнительно небольшой объем.
В итоге этой бурной деятельности рождаются молекулы ДНК, в которых полностью сохраняется порядок следования оснований. Почему сохраняется последовательность оснований?
Потребовалось затратить много труда, прежде чем выяснить, в чем здесь дело. Было доказано, что ДНК играет роль матрицы. На этой матрице образуется другая молекула — молекула-одиночка именно РНК, а уже на РНК клетка печатает молекулы белков. Так как они состоят из определенной последовательности аминокислотных остатков, то, значит, на молекуле РНК аминокислоты должны закрепляться в заданном порядке. Этот порядок определяется основаниями. К каждой аминокислоте одним концом присоединяется низкомолекулярная нуклеиновая кислота — РНК-переносчик (т-РНК). На другом конце она содержит тройку оснований, например АГА. Вся эта комбинация попадает на матрицу РНК и закрепляется на ней. При этом АРНК (переносчика) соединяется с УРНК матрицы, Г переносчика— с Ц матрицы. Таким образом, аминокислота попадает на вполне определенное место матрицы. Каждая аминокислота, которая встречается в организме, имеет свою РНК-переносчика и свой набор оснований. В настоящее время известно чередование оснований (код), отвечающих каждой аминокислоте.
Рибонуклеиновая кислота р-РНК
Имеется еще один вид рибонуклеиновой кислоты р-РНК, роль которой менее ясна. По-видимому, р-РНК способствует сохранению молекулами матричной РНК нужной конфигурации в процессе синтеза — молекула м-РНК как бы расправлена надлежащим образом на молекуле р-РНК; р-РНК имеет большую молекулярную массу и входит в состав частиц — рибосом, являющихся основными фабриками белка. Вообще молекулярная масса РНК колеблется в пределах от 20 000 до 2 000000.
Тройка оснований в молекуле ДНК таким образом определяет соответствующую тройку в м-РНК, а каждая тройка в м-РНК отвечает тройке в т-РНК. Часто называют тройку в ДНК кодогеном (рождающим код), тройку в м-РНК кодоном, а тройку в т-РНК антикодоном. Следовательно, в процессе синтеза т-РНК с помощью антикодона закрепляется на кодоне матричной РНК, а на другом конце она удерживает молекулу аминокислоты.
Далее ферменты соединяют аминокислотные остатки в общую цепочку, т. с. в белковую молекулу, и она медленно удаляется из зоны синтеза, освобождая матрицу для производства следующей молекулы.
Удивительна скорость образования молекул белка: остатки аминокислот сшиваются под действием фермента с такой быстротой, что за одну секунду образуется цепочка примерно из 600 аминокислотных остатков.
Каждая аминокислота закодирована триплетом, т. е. тройкой оснований, расположенных в определенном порядке. Всего имеется четыре основания (Л, Г, Ц, У). Сколько же комбинаций можно составить, выбирая из этих четырех оснований по три и принимая во внимание порядок следования оснований в каждой тропке. Получается 43 = 64. Это значит, что, располагая таким числом оснований, мы имеем возможность кодировать 64 аминокислоты. В белках встречается максимум 25 аминокислот. Избыток триплетов указывает, по-видимому, на то, что некоторые аминокислоты кодируются не одним, а несколькими триплетами (полагают, например, что аланин кодирован триплетами ГЦУ, ГЦЦ, ГЦГ, ГЦЛ).
В настоящее время исследования синтеза белка достигли таких успехов, что практически для всех аминокислот удалось установить соответствующий код.
Имеют ли какое-нибудь значение кодоны, которые как будто не кодируют аминокислоты («бессмысленные кодоны»), неясно. Таких кодонов очень немного (1—3), но можно уверенно сказать, что в действительности они не лишены «смысла», вопрос этот требует дальнейшего исследования.
Синтез нуклеиновой кислоты
Общая схема синтеза все же ясна. Порядок аминокислотных остатков в белке, т. е. тип белка, будет зависеть от порядка оснований в матричной РНК, а этот порядок, в свою очередь, определяется порядком оснований в ДНК- Но ведь ДНК способна к удвоению. Отсюда вытекает, что порядок оснований в исходной ДНК будет определять образование одних и тех же белковых молекул неопределенно долгое время. Именно этим механизмом и объясняется сохранение типа белка и в конечном счете наследование признаков. Следовательно, ДНК несет важнейшую функцию — с помощью этой нуклеиновой кислоты передаются наследственные признаки. Иногда это выражают словами «ДНК несет генетическую информацию». На ДНК синтезируется РНК, а на РНК создается белок. Поэтому если после удвоения спиральной молекулы ДНК получилось две одинаковые новые двойные спирали, то они смогут синтезировать такие же молекулы РНК, что и исходная, а на этих новых молекулах РНК будут формироваться те же белки, что и раньше.
Организм, построенный из новых белков, ничем не должен отличаться от исходного. Так оно на самом деле и происходит. Бактериальная хромосома, т. е. хромосома простейшей клетки, содержит всего одну двойную молекулу ДНК. При размножении бактериальная клетка делится на две, и каждая из них получает по одной двойной молекуле ДНК, причем обе молекулы совершенно одинаковы. Следовательно, в процессе деления бактериальной клетки происходит удвоение ДНК — из одной двойной спирали получаются две двойные спирали и каждая становится источником для получения матричной РНК, т. е. дает начало синтезу белков. Белки, конечно, у обеих клеток будут также совершенно одинаковыми. При таком способе размножения потомство по всем свойствам полностью совпадает с родителями и никакой эволюции не совершается — организмы просто увеличиваются в числе. Это простейший способ воспроизводства, но его значение в природе велико, так как и многоклеточный организм возникает именно за счет деления определенных групп клеток таким способом.
С другой стороны, если в организме часть клеток разрушена, то регенерация утраченных частей (например, восстановление тканей на месте ранения, регенерация хвоста у ящериц и т. п.) совершается посредством того же механизма деления клеток с точным воспроизводством ДНК исходной клетки. На этом механизме основано и размножение растений посредством клубней, черенков и т. д. Что же произойдет, если вместо одного из тех оснований, которые входят в ДНК и РНК, ввести другое основание, тоже способное соединяться с углеводной частью нуклеиновой кислоты, но химически отличное от А, Ц, Т, Г и У? Можно поступить и иначе: химически изменить одно из нормальных оснований — удалить, например, группу NH2 из молекул аденина, предоставить возможность такому поврежденному основанию войти в состав нуклеиновых кислот. Что же получается в результате? Измененное основание уже не будет образовывать тех самых пар с сопряженными основаниями, которые характерны для нормальных оснований. Может получиться триплет, отвечающий уже не той аминокислоте, что ранее, а какой-то иной.
Последовательность аминокислотных остатков в синтезированном на РНК белке тоже будет нарушена — образуется измененный белок с другими свойствами. Если же измененное основание вообще не спаривается с другими, то в цепи нормальных оснований обнаружатся пропуски, отчего нарушится нормальный порядок расположения оснований, а следовательно, и порядок размещения аминокислот—опять-таки получится «неправильный белок», быть может, вовсе не годный для клетки.
Воздействия, приводящие к нарушению нормального синтеза нуклеиновых кислот и белков, называются мутагенными, а изменения, возникающие как следствие этих воздействий в ДНК и РНК,— мутациями. К мутагенным воздействиям (мутагенам) относятся, например, облучение (ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи, корпускулярные излучения), обработка азотистой кислотой, некоторыми органическими веществами и т. д.
Если мутация не привела к гибели организма, то организм может приобрести новые свойства. Эти свойства могут быть и вредными и полезными для него. В процессе отбора, очевидно, больше шансов выжить имеют те особи, которые обладают свойствами, повышающими их жизненную устойчивость,— так мутация способствует сохранению определенных признаков, т. е. является фактором эволюции. Сознательно направляемое действие мутагенов помогает человеку, например, выводить новые сорта растений. В то же время способность к мутационным изменениям у бактерий приводит к тому, что они, подвергаясь обработке антибиотиками, не погибают все без остатка — некоторые сохраняют жизнеспособность и производят потомство, устойчивое к данному антибиотику,— здесь, очевидно, возникшая мутация обусловливает развитие защитных механизмов.
Способность к мутациям — важный фактор развития. Полное овладение механизмом действия мутагенов — одна из увлекательнейших теоретических и практических задач биологической науки.
Чем детальнее мы знакомимся с тем, что называли химией клетки, тем яснее становится эта химия, отчасти похожая на своеобразную механику. Отличие от обычной механики, конечно, имеется, и очень существенное. Механические свойства молекулярных структур в биологии неразрывно связаны с их химическими особенностями, и вся работа химических машин характеризуется взаимной обусловленностью процессов: химические реакции обусловлены структурно-механическими свойствами, а механические процессы (раскручивание, спирализация) определяются химическими признаками отдельных деталей — наличием нуклеотидов, водородных связей и т. п.
В обычной технике такой тесной связи нет — на химических заводах реакторы, различные емкости, трубопроводы, средства транспорта и т. п. сами по себе не образуются, участия в реакциях не принимают, и их приходится заменять по мере износа, причем замена происходит не сама собой, а под контролем человека, т. е. биологической системы.
Статья на тему Нуклеиновые кислоты