Медицинская энциклопедия - нуклеиновые кислоты

дезоксирибонуклеиновые и рибонуклеиновые кислоты, универсальные компоненты всех живых организмов, ответственные за хранение, передачу и воспроизведение (реализацию) генетической информации. На два типа все Н. к. делят по углеводному компоненту молекул: дезоксирибозе у дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) и рибозе у рибонуклеиновых кислот (РНК). Биологическая роль ДНК у большинства организмов заключается в хранении и воспроизведении генетической информации, а РНК — в реализации этой информации в строении молекул белков (Белки) в процессе их синтеза.

Нуклеиновые кислоты были обнаружены в 1868 г. швейцарским ученым Мишером (F. Miescher), который установил, что эти вещества локализуются в ядрах клеток, обладают кислотными свойствами и в отличие от белков содержат фосфор. Химически Н. к. являются полинуклеотидами, т.е. биополимерами, построенными из мономерных звеньев — мононуклеотидов, или нуклеотидов (фосфорных эфиров так называемых нуклеозидов — производных пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований, D-рибозы или 2-дезокси-D-рибозы). Пуриновыми основаниями, входящими в молекулу ДНК, являются аденин (А) и гуанин (Г), пиримидиновыми — цитозин (Ц) и тимин (Т). В нуклеозидах РНК вместо тимина присутствует урацил (У). В полинуклеотидную цепь нуклеотиды соединяются посредством фосфодиэфирной связи (рис. 1).

Первичная структура Н. к. определяется порядком чередования азотистых оснований, а их пространственная конфигурация — нековалентными взаимодействиями между участками молекулы: водородными связями между азотистыми основаниями, гидрофобными взаимодействиями между плоскостями пар оснований, электростатическими взаимодействиями с участием отрицательно заряженных фосфатных групп и противоионов.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты, выделенные из различных организмов, отличаются по соотношению входящих в их состав азотистых оснований, т.е. по нуклеотидному составу, который у всех ДНК подчиняется правилу Чаргаффа: 1) число молекул аденина в молекуле Н. к. равно числу молекул тимина, т.е. А = Т; 2) число молекул гуанина равно числу молекул цитозина, т.е. Г = Ц; 3) число молекул пуриновых оснований равно числу молекул пиримидиновых оснований; 4) число 6-аминогрупп равно числу 6-кетогрупп, что означает, что сумма аденин + цитозин равна сумме гуанин + тимин, т.е. А + Ц = Г + Т. Правило Чаргаффа справедливо и для так называемых минорных азотистых оснований (метилированных или других производных пуриновых и пиримидиновых оснований). Таким образом, нуклеотидный состав каждой ДНК характеризуется постоянной величиной — молярным соотношением (фактором специфичности) или процентным содержанием Г—Ц-пар, т.е. . Величина последнего показателя практически одинакова для организмов одного класса. У высших растений и позвоночных животных она составляет 0,55—0,93.

В 1953 г. американский биохимик Уотсон (J.D. Watson) и английский биофизик Крик (F.Н. Crick), основываясь на правиле Чаргаффа и данных рентгеноструктурного анализа молекул ДНК, установили, что молекула ДНК имеет вид двойной спирали, в которой две антипараллельно направленные углеводно-фосфатные цепи удерживаются водородными связями между аденином и тимином и гуанином и цитозином. Последовательность азотистых оснований в одной цепи определяет их последовательность в другой нуклеотидной цепи, т.к. размеры комплементарных пар А—Т и Г—Ц одинаковы, что позволяет нуклеотидной цепи свернуться в правильную двойную спираль, определяющую вторичную структуру ДНК. На один виток такой спирали приходится 10 пар оснований.

Генетическая информация «зашифрована» в молекуле ДНК в комбинациях нуклеотидов, кодирующих включение в строящуюся полипептидную цепь определенных аминокислот. Установлено, что генетический код универсален для всех живых существ; триплетен, т.е. каждая аминокислота кодируется тройкой нуклеотидов (триплетом); не перекрывается, т.е. данный нуклеотид может входить только в один так называемый кодон; одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами; большинство нуклеотидных триплетов имеет «смысл», т.е. кодирует аминокислоты.

Рентгеноструктурный анализ молекул ДНК показал, что пуриновые и пиримидиновые основания нуклеотида лежат в одной плоскости, практически перпендикулярной продольной оси молекулы (так называемая В-форма двойной спирали ДНК, которую она имеет в физиологических условиях), тогда как остатки дезоксирибозы находятся в плоскости, почти перпендикулярной плоскости, в которой лежат азотистые основания.

Синтез Н. к. в клетке осуществляется по принципу копирования молекулы-матрицы путем реакции поликонденсации нуклеозидтрифосфатов с отщеплением пирофосфата. Этот процесс катализируется ферментами полимеразами. Последовательность азотистых оснований в строящейся молекуле определяется их последовательностью в молекуле-матрице. Синтез молекул ДНК называют репликацией (редупликацией), т.е. образованием молекул-реплик на материнской молекуле.

Генетическая информация из клетки в клетку, из поколения в поколение передается именно путем репликации (редупликации) молекул ДНК, в результате которой из одной молекулы ДНК образуются две дочерние, полностью идентичные материнской, что обеспечивает передачу полного комплекса наследственной информации. В процессе редупликации между парами нуклеотидов разрываются водородные связи, к освободившимся нуклеотидам присоединяются содержащие комплементарные им азотистые основания дезоксинуклеозидтрифосфаты. Т.о., каждая дочерняя двойная спираль включает в себя одну материнскую и одну вновь синтезированную полинуклеотидную цепь. Репликация является сложным процессом, в котором принимают участие множество ферментов, белок, разделяющий нити ДНК, нуклеазы, лигазы и другие белки. Для ее осуществления необходимы матричная ДНК; дезоксирибонуклеозидтрифосфаты всех четырех азотистых оснований, а также ионы Mg²⁺ (рис. 2).

Рост новой цепи катализируется ферментом ДНК-полимеразой. Репликация начинается (инициируется) в определенных участках молекулы ДНК — репликаторах, первичная структура которых характеризуется высоким содержанием пар А—Т и наличием так называемых обратных повторов (палиндромов). Терминация (окончание) репликации происходит либо при слиянии двух вилок репликации, либо в так называемых точках терминации редупликации. У бактерий и эукариот в каждом цикле деления клетки, как правило, должна реплицироваться вся ДНК и при том один раз, поэтому должны существовать механизмы контроля за инициацией репликации и механизмы, благодаря которым различаются материнские и дочерние молекулы. Иногда (в норме и при патологии) может происходить многократная репликация ДНК всего генома (см. Ген) без последующего деления клетки, что приводит к возникновению полиплоидных ядер, или репликация отдельных частей генома без репликации всего генома (так называемая экстрарепликация). Описаны случаи недорепликации части ДНК той части генома в клетках эукариот, в которой нет генов, необходимых для жизнеобеспечения клетки. Сходство ферментов, катализирующих этапы репликации, и основных процессов, происходящих в вилке репликации, у прокариот и эукариот свидетельствует о высокой эволюционной стабильности и жестком генетическом контроле репликации ДНК.

Распад ДНК, как и РНК, в норме в живых клетках не происходит. ДНК погибших клеток или клеток, целостность стенки которых нарушена, расщепляется специфическими нуклеазами (ДНК-азой I и ДНК-азой II), катализирующими разрыв межнуклеотидных связей в полиили олигонуклеотидах без образования неорганического фосфата. По характеру действия нуклеазы являются фосфодиэстеразами. Роль нуклеаз в генетической рекомбинации (см. Генетическая инженерия), исправлении (репарации) генетических повреждений, защите клетки от чужеродных Н. к. чрезвычайно велика. Их активность в тканях и биологических жидкостях может служить диагностическим тестом при ряде заболеваний. Так, активность ДНК-азы II в сыворотке крови возрастает при острых панкреатитах, особенно геморрагическом панкреатите, а активность РНК-азы в сыворотке крови возрастает при уремии. Генетически обусловленная недостаточность некоторых нуклеаз является причиной тяжелых наследственных заболеваний (например, пигментной ксеродермы).

По способу атаки субстрата нуклеазы делят на экзои эндонуклеазы. Экзонуклеазы катализируют последовательное отщепление моноили олигонуклеотидов от одного из концов полинуклеотидной цепи. Некоторые экзонуклеазы катализируют расщепление и ДНК, и РНК.

Эндонуклеазы катализируют разрыв между внутренними звеньями полинуклеотидной цепи и отличаются гораздо более высокой субстратной специфичностью, чем экзонуклеазы.

В распаде Н. к. принимают участие также нуклеозидазы, которые катализируют расщепление фосфомоноэфирных связей в мононуклеотидах с образованием нуклеозидов и неорганического фосфата, по характеру действия они являются фосфомоноэстеразами, и гидролитические и фосфоролитические нуклеозидазы (нуклеозидгидролазы и нуклеозидфосфорилазы).

Рибонуклеиновые кислоты у большинства организмов обеспечивают реализацию генетической информации, однако у РНК-содержащих вирусов они могут быть также носителями наследственной информации подобно ДНК.

Молекула РНК представляет собой линейный полимер, мономерными звеньями которого являются рибонуклеотиды (их углеводным компонентом служит пентоза—D-1-рибоза). Характерные структурные элементы некоторых РНК представлены минорными основаниями (соответствующие им нуклеотиды входят в состав ряда РНК в очень небольших количествах).

Первичная структура РНК строго специфична и уникальна для каждого вида природной РНК. Она служит формой записи биологической информации, многократно и точно воспроизводящейся в процессе биосинтеза РНК. Структура синтезируемой РНК, строящейся на молекуле ДНК как на матрице (процесс транскрипции), определяется этой молекулой ДНК, что является начальным этапом реализации генетической информации, зашифрованной в ее полинуклеотидной цепи. Синтез РНК-транскрипция катализируется РНК-полимеразами, которые считывают лишь одну, так называемую значащую нить двойной спирали ДНК-матрицы. В процессе транскрипции образуется РНК-копия соответствующей ДНК или РНК-копия гена.

Вторичная и третичная структуры молекулы РНК (ее пространственная конфигурация), как и в молекулах ДНК, формируются в основном за счет водородных связей и межплоскостных гидрофобных взаимодействий между азотистыми основаниями. Однако, если для молекулы ДНК характерен вид устойчивой двунитевой спирали, то вторичная и третичная структуры молекул РНК гораздо более лабильны и вариабельны. Полинуклеотидные цепи РНК обладают большой гибкостью. В растворах с низкой ионной силой молекулы РНК ведут себя как типичные полиэлектролиты; при повышении ионной силы раствора разбухшие цепи РНК сжимаются, на отдельных участках гибкой цепи РНК, которая, перегибаясь, навивается сама на себя, образуются двуспиральные структуры в результате так называемого комплементарного спаривания, как и в молекулах ДНК. Такие структуры в молекулах РНК стабилизируются водородными связями между противолежащими азотистыми основаниями на антипараллельных участках цепи. Специфическими парами азотистых оснований на двуспиральных участках молекулы РНК являются, как и в молекуле ДНК, А—У, Г—Ц и Г—У (урацил вместо тимина). Молекулы РНК, состоящие из двух комплементарных полинуклеотидных цепей, обнаружены в некоторых вирусах; кроме того, они образуются как промежуточные формы при биосинтезе ряда вирусных РНК (так называемые репликативные формы РНК).

Некоторые двуспиральные РНК подобно ДНК могут существовать в виде кольцевых молекул и, если обе полинуклеотидные цепи ковалентно замкнуты, способны образовывать суперспирализованные кольца. РНК могут формировать двухтяжевые комплексы, в которых один тяж представлен полирибонуклеотидной, а другой — полидезоксирибонуклеотидной цепью. Такие ДНК—РНК-гибридные комплексы образуются во время репликации ДНК с участием так называемых затравочных фрагментов РНК, а также во время транскрипции РНК на матрице ДНК. ДНК—РНК-гибридные комплексы возникают также после заражения клеток некоторыми РНК-содержащими вирусами в результате синтеза на вирусной РНК комплементарной ей ДНК с помощью фермента обратной транскриптазы (ревертазы).

Содержание РНК в живых клетках (за исключением сперматозоидов) значительно выше, чем содержание ДНК. Основная масса РНК локализована в цитоплазме клетки: в составе собственно цитоплазматических рибосом (см. Клетка) и митохондрий, а также присутствует в виде нерибосомных комплексов с белками. В ядро РНК входит хроматин (часть ядерных РНК является продуктом текущей транскрипции генов).

Функции РНК в клетке сложны и многообразны. Различают три основных типа РНК: рибосомные РНК (рРНК), транспортные РНК (тРНК) и информационные, или матричные, РНК (иРНК, или мРНК). В клетках существует еще набор так называемых малых РНК, функции которых пока не выяснены.

Рибосомные РНК составляют около 80% всех клеточных РНК, по массе от 50 до 65% всего материала рибосом приходится на РНК. В каждой субъединице рибосом (большой и малой) РНК служит каркасом, на котором собираются рибосомные белки Сформировавшийся рибонуклеопротеидный комплекс (так называемый рибонуклеопротеидный тяж — РНП-тяж) организуется в сложную компактную частицу — собственно рибосомную субъединицу. Роль рРНК в белоксинтезирующей системе клетки не исчерпывается ее структурными функциями. Полагают, что некоторые участки рРНК играют определенную роль в формировании пептидилтрансферазного центра рибосомы, ответственного за образование пептидных связей между остатками аминокислот при синтезе белка.

Транспортные РНК составляют около 15% от общего количества клеточных РНК. Нуклеотидная цепь тРНК содержит всего 75—90 нуклеотидов, для большинства тРНК установлена полная последовательность нуклеотидов в цепи. Особенностью тРНК является относительно высокое содержание нуклеотидов, включающих минорные азотистые основания. Эти Н. к. с помощью высокоспецифичных ферментов аминоацил-тРНК-синтетаз присоединяют к себе ту или иную аминокислоту и переносят ее на рибосому. Для одной и той же аминокислоты имеется несколько тРНК, которые называют изоакцепторными. Транспортная РНК в ходе синтеза полипептидной цепи белка «узнает» специфическую аминоацил-тРНК-синтетазу, принимает от нее активированную аминокислоту, присоединяется к иРНК на рибосоме и тем самым обеспечивает строгую специфичность выбора и встраивания аминокислот в растущую молекулу белка; после образования пептидной связи между доставленной аминокислотой и уже построенной полипептидной цепью тРНК удерживает эту цепь на рибосоме.

Информационные, или матричные, РНК составляют всего 5% от общего количества клеточной РНК. Их биологическая роль заключается в программировании синтеза всех клеточных белков. Если рРНК и тРНК относятся к «обслуживающему» аппарату белоксинтезирующей системы клетки, то иРНК является прямым посредником между ДНК и белками и служит матрицей для синтеза белков; в форму иРНК переводится большая часть информации, заключенной в ДНК.

В соответствии с химическим строением полинуклеотидной цепи существуют три группы методов количественного определения Н. к.: по содержанию азотистых оснований (спектрофотометрическое определение), углеводного компонента (специфические цветные реакции), по количеству фосфора. Методы второй группы специфичны к типу Н. к. и позволяют отличить ДНК от РНК.

Определение нуклеотидных последовательностей индивидуальных Н. к. представляет большой практический интерес. Это, в частности, путь идентификации мутантных генов и расшифровки молекулярных механизмов, лежащих в основе синтеза аномальных белков при различных формах наследственной патологии (см. Наследственные болезни).

См. также Пиримидиновый обмен, Пуриновый обмен.

Библиогр.: Гайцхски В.С. Информационные РНК клеток животных. М., 1980; Ролан Ж.К., Селоши А. и Селоши Д. Атлас по биологии клетки, пер. с франц., с. 28, М., 1978; Спирин А.С. и Гаврилова Л.П. Рибосома, М., 1968; Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология гена, пер. с англ., М., 1978; Шабарова З.А. и Богданов Л.А. Химия нуклеиновых кислот и их компонентов.Рис. 2. Схема репликации молекулы ДНК: дочерняя цепь (реплика) строится на каждой из родительских полинуклеотидных цепей, как на матрице. Стрелкой указано направление движения так называемой вилки репликации, пунктиром обозначены водородные связи между азотистыми основаниями. А — аденин, Т — тимин, Г — гуанин, Ц — цитозин.Рис. 1. Схематическое изображение соединения нуклеотидных звеньев в полинуклеотидную цепь нуклеиновой кислоты: в молекулах ДНК R-водород, в молекулах РНК — ОН-группа (гидроксильная группа).

1. Малая медицинская энциклопедия. — М.: Медицинская энциклопедия. 1991—96 гг. 2. Первая медицинская помощь. — М.: Большая Российская Энциклопедия. 1994 г. 3. Энциклопедический словарь медицинских терминов. — М.: Советская энциклопедия. — 1982—1984 гг