Нуклеїнові кислоти, особливо ДНК, досить добре відомі в науці. Пояснюється це тим, що вони є речовинами клітини, від яких залежить збереження та передача її спадкової інформації. ДНК, відкрите ще в 1868 році Ф. Мишером, являє собою молекули з яскраво вираженими кислотними властивостями. Вчений виділив її з ядер лейкоцитів – клітин імунної системи. Протягом наступних 50 років дослідження нуклеїнових кислот проводилися епізодично, так як більшість вчених біохіміків вважали головними органічними речовинами, що відповідають в тому числі і за спадкові ознаки, білки.


З моменту розшифровки будови ДНК, проведеної Уотсоном і Кріком в 1953 році, починаються серйозні дослідження, вияснившие що, дезоксирибонуклеїнова кислота – це полімер, а мономерами ДНК служать нуклеотиди. Їх види і будова будуть вивчені нами в даній роботі.

Нуклеотиди як структурні одиниці спадкової інформації

Одне з фундаментальних властивостей живої матерії – це збереження та передача інформації про будову і функції клітини, так і всього організму в цілому. Цю роль виконує дезоксирибонуклеїнова кислота, а мономери ДНК – нуклеотиди являють собою своєрідні «цеглинки», з яких і побудована унікальна конструкція речовини спадковості. Розглянемо, якими ж ознаками керувалася жива природа, створюючи суперспираль нуклеїнової кислоти.

Як утворюються нуклеотиди

Щоб відповісти на це питання, нам знадобляться деякі знання з хімії органічних сполук. Зокрема, ми нагадаємо, що в природі існує група азотовмісних гетероциклічних глікозидів, сполучених з моносахаридами – пентозами (дезоксирибозой або рибозой). Вони називаються нуклеозидами. Наприклад, аденозин і інші види нуклеозидів присутні в цитозолі клітини. Вони вступають в реакцію етерифікації з молекулами ортофосфорної кислоти. Продуктами цього процесу і будуть нуклеотиди. Кожен мономер ДНК, а їх чотири види, що має назву, наприклад, гуаниновий, тиминовий і цитозиновий нуклеотид.

Пуринові мономери ДНК

У біохімії прийнята класифікація, яка розділяє мономери ДНК і їх будова на дві групи: так, пуриновими є адениновий і гуаниновий нуклеотиди. Вони містять у своєму складі похідні пурину – органічної речовини, що має формулу C 5 H 4 N 4 . Мономер ДНК – гуаниновий нуклеотид, також містить пуриновое азотисту основу, поєднане з дезоксирибозой N-глікозидного зв'язком, що знаходиться в бетоконфигурации.

Пиримидиновие нуклеотиди

Азотисті підстави, звані цитидином і тимидином, є похідними органічної речовини піримідину. Його формула C 4 H 4 N 2 . Молекула являє собою шестичленна плоский гетероцикл, містить два атоми нітрогену. Відомо, що замість тиминового нуклеотиду в молекулах рибонуклеїнової кислоти, таких як рРНК, тРНК, иРНК, міститься урациловий мономер. У процесі транскрипції, під час списування інформації з ДНК гена на молекулу иРНК, тиминовий нуклеотид заміщується на адениновий, а адениновий нуклеотид – на урациловий в синтезованої ланцюга иРНК. Тобто справедливою буде наступна запис: А – В, Т – А.

Правило Чаргаффа

У попередньому розділі ми вже частково торкнулися принципів відповідності мономерів в ланцюгах ДНК і в комплексі ген-иРНК. Відомий біохімік Е. Чаргафф встановив абсолютно унікальна властивість молекул дезоксирибонуклеїнової кислоти, а саме, що кількість аденінових нуклеотидів в ній завжди дорівнює тиминовим, а гуанинових – цитозиновим. Головною теоретичною базою принципів Чаргаффа послужили дослідження Уотсона і Крику, встановили, які мономери утворюють молекулу ДНК і яку просторову організацію вони мають. Ще одна закономірність, виведена Чаргаффом і названа принципом комплементарності, вказує на хімічну спорідненість пуринових і піримідинових основ та їх здатність при взаємодії між собою утворювати водневі зв'язки. Це означає, що розташування мономерів в обох ланцюгах ДНК суворо детерміновано: так, А навпаки першої ланцюга ДНК може перебувати тільки Т інший і між ними виникають дві водневі зв'язки. Навпаки гуанинового нуклеотиду може розташовуватися тільки цитозиновий. У цьому випадку між азотистими підставами утворюються три водневі зв'язки.

Роль нуклеотидів в генетичному коді

Для здійснення реакції біосинтезу білка, що відбувається в рибосомах, існує механізм переведення інформації про амінокислотному складі пептиду з послідовності нуклеотидів иРНК в послідовність амінокислот. Виявилося, що три поруч розташованих мономеру несуть в собі інформацію про одну з 20 можливих амінокислот. Це явище отримало назву генетичний код. В рішенні задач з молекулярної біології його застосовують для визначення як амінокислотного складу пептиду, так і для з'ясування питання: які мономери утворюють молекулу ДНК, іншими словами, який склад відповідного гена. Наприклад, триплет (кодон) ААА в гені кодує амінокислоту фенілаланін в молекулі білка, а в генетичному коді їй буде відповідати триплет UUU в ланцюзі иРНК.

Взаємодія нуклеотидів в процесі редуплікації ДНК

Як було з'ясовано раніше, структурні одиниці, мономери ДНК – це нуклеотиди. Їх певна послідовність в ланцюгах є матрицею для процесу синтезу дочірньої молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти. Це явище відбувається в S-стадії інтерфази клітини. Послідовність нуклеотидів нової молекули ДНК збирається на материнських ланцюгах під дією ферменту ДНК-полімерази з урахуванням принципу комплементарності (А – Т, Д – З). Реплікація відноситься до реакцій матричного синтезу. Це означає, що мономери ДНК і їх будова в материнських ланцюгах служать основою, то є матрицею для її дочірньої копії.

Може змінюватися будова нуклеотиду

До слова скажемо, що дезоксирибонуклеїнова кислота – це дуже консервативна структура клітинного ядра. Цьому є логічне пояснення: спадкова інформація, що зберігається в хроматині ядра, повинна бути незмінною і копіюватися без спотворень. Ну а клітинний геном постійно перебуває «під прицілом» факторів зовнішнього середовища. Наприклад, таких агресивних хімічних сполук, як алкоголь, лікарський засіб, радіоактивне випромінювання. Всі вони є так званими мутагенами, під впливом яких будь-мономер ДНК може змінити своє хімічна будова. Таке спотворення в біохімії називають точковой мутацією. Частота виникнення їх в геномі клітини досить висока. Мутації виправляються добре налагодженою роботою клітинної репарационной системи, що включає в себе набір ферментів. Одні з них, наприклад рестриктази, «вирізають» пошкоджені нуклеотиди, полімерази забезпечують синтез нормальних мономерів, лігази «зшивають» відновлені ділянки гена. Якщо ж вищеописаний механізм з якоїсь причини в клітці не спрацьовує і дефектний мономер ДНК залишається в її молекулі, мутація підхоплюється процесами матричного синтезу і фенотипічно проявляється у вигляді білків з порушеними властивостями, здатних виконувати необхідні функції, притаманні їм у клітинному обміні речовин. Це є серйозним негативним фактором, що знижує життєздатність клітини і скорочують тривалість її життя.