Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты - сложные высокомолекулярные соединения, имеющиеся во всех клетках  живых организмов и являющиеся материальными  носителями наследственной информации. Нуклеиновые кислоты играют ведущую  роль не только в хранении, но и в  передаче наследственной информации потомкам и реализации ее в ходе индивидуального развития каждого организма. Нуклеиновые кислоты были открыты в середине 60-х гг. 19 в. швейцарским ученым Ф. Мишером. Обрабатывая клетки гноя ферментом желудочного сока — пепсином, Ф. Мишер обнаружил, что пепсин переваривает не все содержимое клеток, в ядрах клеток оставалось неразрушенным какое-то неизвестное вещество. Продолжив эти эксперименты на другом объекте, Ф. Мишер окончательно убедился в том, что открыл новое вещество, отличающееся от известных до этого веществ биологического происхождения (белков, углеводов, жиров и др.) своим химическим строением. Это вещество Ф. Мишер назвал нуклеином, исходя из того, что он обнаружил его в ядрах клеток (ядро — по-латыни нуклеус).

 

 

Однако  в связи с недостаточным уровнем развития лабораторной техники установить точное химическое строение нуклеина Ф. Мишер не смог. Накопив достаточное количество нуклеина, Ф. Мишер смог лишь обнаружить, что в его составе важную роль играет какая-то неизвестная и очень сложная по строению кислота. Лишь позже было установлено, что нуклеин Ф. Мишера состоял из соединения белка с особыми исключительно сложными для структурного анализа кислотами, к-рым и было дано название «нуклеиновые кислоты». Другой составной частью нуклеина были молекулы белков, так что нуклеин представлял собой химическое вещество, называемое сейчас нуклеопротеином или хроматином (см. Хромосомы).

 

Лишь к  концу 30-х гг. 20 в. был уточнен химический состав нуклеиновых кислот, а также  установлено, что имеется два типа нуклеиновых кислот — дезоксирибонукленновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) и что они входят в состав клеток всех без исключения живых существ на Земле. Однако детали строения нуклеиновых кислот оставались неясными вплоть до середины 50-х гг. 20 в. К этому времени, по словам известного амер. ученого Д. Уотсона, установившего вместе с англ. ученым Ф. Криком основные принципы строения ДНК, «относительно ДНК, в отличие от белков, имелось очень мало точно установленных данных. Ею занимались считанные химики, и за исключением того факта, что нуклеиновые кислоты представляют собой очень большие молекулы, построенные из более мелких строительных блоков — нуклеотидов, об их химии не было известно ничего такого, за что мог бы ухватиться генетик. Более того, химики-органики, работавшие с ДНК, почти никогда не интересовались генетикой».

 

Сложным был  и путь к пониманию роли нуклеиновых  кислот в жизни клеток. Вскоре после  открытия Ф. Мишером нуклеина биологи  обнаружили, что в ядрах клеток имеются особые морфологические структуры, отчетливо видимые под микроскопом во время деления клеток и названные хромосомами. Хромосомы закономерно распределялись по дочерним клеткам в процессе деления клеток. В первом десятилетии 20 в. были высказаны предположения, что именно хромосомы являются носителями наследственности, однако сделать дальнейший шаг — связать наследственность с нуклеиновыми кислотами, находящимися в хромосомах, никто не смог вплоть до 40— 50-х гг. 20 в. (см. Генетика). Более того, с течением времени роль нуклеиновых кислот стали даже преуменьшать. В конце 19 в. некоторые ученые высказывали на этот счет вполне разумные предположения. Напр., известные биологи братья Оскар и Рихард Гертвиги писали о возможной роли нуклеиновых кислот в передаче наследственных признаков; в 1897 г. в статье «Нуклеины» «Энциклопедического словаря» Брокгауза и Эфрона указывалось: «Распространение нуклеина огромное: везде, где есть клеточные ядра, там есть и нуклеин... нуклеину приписывается выдающееся значение в развитии и размножении клеток». Позже эти правильные взгляды были забыты. Мысль ученых вплоть до 50-х гг. 20 в. была скована успехами в изучении структуры и свойств белковых молекул, а нуклеиновым кислотам отводилась второстепенная роль. В распространении убеждения о том, что преимущественная роль в наследственности принадлежит белкам, решающее значение сыграло то, что выдающийся советский ученый Н. К. Кольцов, предсказавший механизм передачи наследственных признаков через специфическое строение полимерных макромолекул, ошибочно считал, что роль этих «наследственных молекул» принадлежит белкам.

 

 

Лишь после  открытия двойной спирали ДНК  в 1953 г. и установления роли нуклеиновых  кислот в передаче наследственности наступила пора бурного расцвета исследований нуклеиновых кислот. В удивительно короткие сроки (менее чем за два десятилетия) было полностью установлено строение обоих типов молекул нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) и доказано, что именно в них сосредоточены материальные структуры наследственности - гены (см. Ген), выяснена точная роль каждого из видов нуклеиновых кислот в передаче наследственных свойств и управлении жизнедеятельностью клеток и организмов (см. Молекулярная генетика), осуществлен сначала искусственный синтез молекул ДНК и РНК вне клеток организмов, а затем разработаны методы искусственного синтеза отдельных частей этих молекул — генов. В настоящее время разрабатываются способы внедрения в живые клетки чужеродных участков ДНК с целью исправления наследственных дефектов (см. Инженерия генетическая).

 

Наконец, следует указать на то, что в последние годы препараты нуклеиновых кислот начали использовать и непосредственно для целей лечения больных, страдающих некоторыми тяжелыми формами нарушений кроветворения и рядом других болезней. Установлено, напр., что препараты нуклеиновых кислот обладают способностью стимулировать деятельность костного мозга, способствуют коррекции нарушений фосфорного обмена, приводящих к рахиту. Т. о., изучение нуклеиновых кислот исключительно важно не только для понимания центральных моментов в жизни клеток и организмов, а именно способности сохранять неизменными свойства в ряду поколений, роли в делении клеток, управлении всеми биохимическими реакциями в организмах, способности целесообразно отвечать на раздражения, вызываемые внешней по отношению к организму средой и т. п.; оно создает возможности и для практического использования их в медицине.

 

Нуклеиновые кислоты — самые  большие молекулы в клетках живых  организмов и представляют собой  линейные полимеры огромного молекулярного  веса. В клетках они многократно скручены (или, как говорят, спирализованы) и образуют компактные структуры, что позволяет им занимать относительно небольшой объем, но если бы разложить в длину молекулы ДНК только одной клетки человека, то они составили бы цепи длиной в несколько метров. Конечно, уже это говорит о большой сложности строения молекул нуклеиновых кислот. Тем не менее основной принцип их строения оказался довольно простым. Цепи нуклеиновых кислот составлены из чередующихся звеньев — нуклеотидов, специфическое чередование которых и определяет запись наследственной информации в клетках. Каждые три последовательно расположенных нуклеотида кодируют какую-то одну аминокислоту (см. Генетический код), а порядок следования нуклеотидов в цепях ДНК каждого организма уникален, как уникальна наследственная информация любого вида организмов.

 

Нуклеотиды, в свою очередь, также  имеют довольно сложное строение и составлены из трех соединенных  друг с другом молекул: азотистого основания, пятиуглеродного сахара (пентозы) и остатка фосфорной к-ты. Названия нуклеотидам дают по имени азотистого основания, входящего в их состав.

 

В ДНК встречаются 4 основных типа азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). В состав РНК вместо тимина входит другое, близкое ему по строению основание — урацил (У). Другим отличием ДНК от РНК является то, что нуклеотиды, входящие в состав ДНК, содержат пятичленный сахар — дезоксири-бозу, а в РНК имеется другой углевод — рибоза.

 

В клетках всех высших организмов имеется ядро, отграниченное от цитоплазмы особой оболочкой. Поэтому эти организмы получили название эукариотов (от греч. эу — собственно, и карио — ядро). Именно в ядре содержится подавляющая часть ДНК клетки. При этом ядерная ДНК эукариотов соединена с особыми, так наз. ядерными, белками и образует так называемые нуклеопротеидные нити. Эти нити, многократно скручиваясь, формируют хромосомы. Кроме того, в клетках высших организмов — эукариотов — ДНК обнаружена в составе ряда внутриклеточных образований.

 

В подавляющем большинстве случаев  молекула ДНК построена из двух полинуклеотидных цепей (рис. 1), скрученных друг с другом. Эти цепи соединяются между собой  по строго определенным правилам: тимин  соединяется с адепином и только с аденином, цитозии — с гуанином и т. д.

 

Строго определенные правила сочетания  оснований в пары (так наз. комплементарность  тимина аденину и цитозина гуанину) стали понятными после изучения размеров двойной спирали ДНК (рис. 2). Оказалось, что диаметр двойной  спирали по всей ее длине постоянен. Постоянство этого размера спирали может быть обеспечено лишь при единственном сочетании оснований в паре. Только в том случае, когда тимин соединен с аденином и цитозин с гуанином, получаются пары оснований одинаковой длины (рис. 3). Перед делением клеток происходит удвоение (репликация) молекул ДНК. Процесс этот представляет собой сложную цепь последовательно протекающих реакций, в результате которых на исходных материнских молекулах ДНК синтезируются их точные дочерние копии.

 

Рибонуклеиновые кислоты (РНК) также содержатся во всех клетках любых организмов, а у части вирусов являются единственным типом нуклеиновых кислот. Рибонуклеиновые кислоты выполняют важнейшую роль, обеспечивая перенос генетической информации от ДНК к белкам.

 

Ф. Энгельс определял жизнь как «...способ существования белковых тел...», который «...заключается по своему существу в постоянном обновлении их химических составных частей путем питания и выделения» (Ф. Энгельс, Анти-Дюринг, 1973, с. 350). В живых организмах содержится большое количество различных белков, каждый из которых выполняет специализированные функции. При этом функциональные возможности и специализированность того или иного белка определяются его строением и, в частности, тем, в какой последовательности в его молекуле расположены основные структурные единицы — аминокислоты.

 

 

Нуклеиновых кислоты — основные «действующие лица» центрального акта жизни —  синтеза белковых молекул. Все, что  нужно клетке для жизни, запрограммировано  в отрезках молекулы ДНК — генах, располагающихся гл. обр. в ядре клетки. Именно они являются хранителями эволюционных достижений жизни, зафиксированных языком генетического кода. Но сами гены не синтезируют белка. Записанная в них информация реализуется молекулами рибонуклеиновых кислот. Прежде чем строить белки, снимаются «чертежи» гена: на молекуле ДНК синтезируется молекула так называемой информационной РНК, являющаяся точной копией — зеркальным отражением соответствующего гена. Затем молекулы информационной РНК переходят во внеядерную часть клетки — цитоплазму. Подобно тому как во многих периферийных типографиях не делают шрифтовой набор для печатания центральных газет, а пользуются готовыми матрицами, присланными из центра, в клетке матрицы — молекулы информационной РНК плывут из ядра в цитоплазму, доставляя «приказы» генов. В цитоплазме информационная РНК присоединяется к рибосоме — специальному внутриклеточному образованию, в котором происходит синтез белка. Информационная РНК как бы заряжает рибосому, подобно тому, как лента, вставленная в гнездо магнитофона, дает возможность подготовиться к прослушиванию музыки. Теперь главная задача устроить все так, чтобы аминокислоты могли «понять и прочесть» запись информационной РНК.

 

Роль «переводчиков» с языка генетического кода на язык аминокислот выполняют молекулы РНК другого вида — так называемые транспортные. Эти маленькие по размеру и молекулярному весу молекулы обладают способностью различать нужные аминокислоты, присоединять к себе и подтаскивать, транспортировать их к рибосоме. Каждой аминокислоте соответствует своя транспортная РНК. Т. о., в клетке имеется по меньшей мере 20 видов транспортных РНК по числу аминокислот. Процесс узнавания транспортными РНК «своих» аминокислот осуществляется с помощью специальных ферментов (их тоже не менее 20 видов), управляющих прикреплением аминокислот к соответствующим транспортным РНК.

 

Молекула  транспортной РНК, соединенная с  аминокислотой, подплывает к рибосоме и соединяется с ней. В следующее  мгновение матрица (информационная РНК) продвигается по рибосоме на расстояние, соответствующее участку, на котором был записан шифр присоединившейся аминокислоты, как бы «подставляя» для прочтения участок, где закодирована очередная аминокислота. Информационная РНК продвигается так до тех пор, пока вся матрица не окажется прочитанной рибосомой и молекула соответствующего белка полностью синтезированной.

 

Первая  транспортная аминокислота, выполнив свою задачу, покидает рибосому, освобождая место для следующей. Освободившиеся от груза аминокислот транспортные РНК уходят в цитоплазму. Там их ждут молекулы ферментов, чтобы соединить с очередными порциями аминокислот. Ведь клетке, пока она живет, нужны новые и новые белки.

 

Имеется еще  один вид РНК — рибосомные. Они  составляют основную массу рибосомы. Их биологическая роль до конца не выяснена. Однако известно, что нарушение целостности молекул рибосомных РНК приводит к нарушению биологической активности рибосом.