Химическая структура нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты представляют собой линейные полимеры, очень крупные молекулы которых образованы цепочкой звеньев — нуклеотидов, каждый из которых состоит из трех компонентов, а именно: из азотистого основания, остатка сахара и остатка фосфорной кислоты. Существует два основных класса нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (сокращенно ДНК) и рибонуклеиновая кислота (сокращенно РНК). ДНК содержит сахар — дезоксирибозу, а РНК несколько отличный сахар — рибозу (рис. 8.3). Оба этих сахара принадлежат к группе пентоз. В состав ДНК входит четыре типа азотистых оснований: пурины —аденин и гуанин и пиримидины — цитозин и тимин. РНК тоже имеет четыре типа ос-нований, из которых три (аденин, гуанин и цитозин) такие же, как в ДНК, а тимин заменен другим пиримидином — урацилом. На рис. 8.4 показаны циклические формулы пуринов и пиримидинов и их родство с таким циклическим соединением, как бензол.

На рис. 8.5 и 8.6 представлены структурные формулы азотистых оснований ДНК и РНК.

Химической основой молекул нуклеиновой кислоты служат остатки сахара, чередующиеся с остатками фосфорной кислоты. Причем каждый остаток фосфорной кислоты связан фосфодиэфирными связями с 5' углеродом одного остатка сахара и с 3' углеродом другого остатка сахара. К первому углероду каждого остатка сахара присоединено одно из азотистых оснований (рис. 8.7—8.8). Вследствие такого строения, молекулы нуклеиновой кислоты обладают полярностью; условно принято приписывать этим молекулам направление от 5' атома к 3' атому углерода каждого остатка сахара.

Очень важная особенность нуклеиновых кислот состоит в апериодичности строения их гигантских молекул. Множество нуклеотидов четырех типов, представляющих звенья этих молекул, следуют в линейной молекуле друг за другом в самых различных сочетаниях, но сочетания эти строго постоянны для каждого ряда ДНК и РНК данного организма.

Такое чередование нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот можно сравнить с порядком чередования букв в письменном тексте, где они расположены в разной, но вполне определенной последовательности, образуя слова и предложения, составляющие данный текст. Именно такая специфичность строения полимерных молекул нуклеиновых кислот определяет возможность хранения в них обширной и сложной генетической информации.

Пространственная конфигурация молекул ДНК была установлена в 1953 году Дж. Уотсоном и Ф. Криком на основании рентгенографических исследований и биохимических данных. Согласно предложенной ими модели, подтвержденной позже множеством других работ, молекула ДНК состоит из двух нитей, образующих правовинтовую спираль диаметром около 20 А (А — ангстрем — единица длины, равная 0,1 нм, или 10"10 м)

Азотистые основания обеих нитей ориентированы по направлению к середине спирали, причем аденин одной нити всегда находится напротив тимина другой нити, а гуанин первой нити — напротив цитозина другой нити. В каждой из этих пар основания соединены друг с другом водород­ными связями; две такие связи имеются в паре аденин—тимин и три — в паре гуанин—цитозин, как это показано на рис. 8.10.

Вследствие комплементарности азотистых оснований, порядок чередо­вания нуклеотидов в обеих нитях ДНК оказывается взаимообусловлен­ным, а обе нити спирали расположены антипараллельно и представляют как бы реплики друг друга (рис. 8.11).

Комплементарность двух нитей молекулы ДНК приводит к тому, что число пуринов в ней равно числу пиримидинов, а отношение А + Г/Ц + Т = = 1, или А + Г = Ц + Т (правило Э. Чаргаффа).

Отношение же А + Т/Ц + Г в разных ДНК очень различно и характерно для каждой из них, поэтому его иногда называют коэффициентом специфичности ДНК.