3.2. Строение нуклеиновых кислот.

Нуклеиновые кислоты представляют собой генетический материал всех живых организмов вплоть до самых простых вирусов. Нуклеиновые кислоты состоят из мономерных единиц, называемых нуклеотидами, из которых строятся длинные молекулы - полинуклеотиды.

Молекула нуклеотида состоит из 3 частей:

(1) Сахар содержит 5 атомов углерода (пентоза). В зависимости от вида основания различают рибонуклеиновые (РНК) и дезоксирибонуклеиновые (ДНК) кислоты.

(2) Основание четырех разных видов: пурины (аденин и гуанин) и пиримидины (цитозин и тимин в случае ДНК или урацил в РНК).

(3) Фосфорная кислота (рис. ).

Разные нуклеотиды отличаются друг от друга природой сахаров и оснований, которые входят в их состав.

Роль нуклеотидов в организме не ограничивается тем, что они являются строительными блоками нуклеиновых кислот. Некоторые важные коферменты также представляют собой нуклеотиды или их производные. Таковы, например, аденозинмоно-, аденозинди- и аденозинтрифосфаты (АМФ, АДФ и АТФ), кофермент А, никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ).

Два нуклеотида соединяются друг с другом при реакции конденсации в результате которой между фосфатной группой одного нуклеотида и сахаром другого образуется ковалентная связь, что обеспечивает прочность и стабильность всего полинуклеотида (рис. ). Последний факт очень важен, так как в результате этого уменьшается риск "поломок" полинуклеотида при репликации. В целом полинуклеотид представляет из себя неразветвленную цепочку на сахарофосфатной основе.

3.3. Строение днк.

Еще в конце XIX века высказывались гипотезы о роли ДНК в качестве хранилищ генетической информации. Однако первые данные в пользу такой точки зрения были получены только в 1928 году Ф. Гриффтом, показавшем, что можно изменить свойства бактерий, помещая их в среду содержащюю “трансформирующий фактор” (как вскоре выяснилось - ДНК).

К концу сороковых годов XX века роль ДНК как хранителя генетическая информация не вызывала сомнений и потому проблема выяснения структуры этой молекулы возбуждала особый интерес. В гонке идей участвовали очень многие ученые (к сожалению не русские, так как в России в это время безраздельно господствовали идеи Т.Д. Лысенко). В начале 50-ых годов американский химик Л. Полинг (Linus Pouling), изучивший к тому времени L-спиральную структуру, характерную для многих фибриллярных белков, обратился к исследованию ДНК, которая, по имеющимся в то время сведениям, также представлялась фибриллярной структурой. Одновременно в Лондоне М. Уолкинс и Розалин Франклин (M. Wilking, R. Franklin) пытались решить ту же проблему методом рентгеноструктурного анализа. Они выяснили, что ДНК представляет собой спираль, однако полученная картина имела слишком общий характер. Этот метод не давал возможности получить более детальную картину строения. В 1951 г. Э. Чаргафф (E. Chargaff) обнаружил, что количество пуриновых нуклеотидов в ДНК равно числу пиримидиновых.

Однако первыми сумели создать приемлемую модель молодые ученые из Кембриджского университета Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик (James Watson, Francis Crick). Последний был физиком, переквалифицировавшимся в биохимика. История поисков увлекательно описана Уотсоном в его книге "Двойная спираль". К своей модели они пришли пользуясь набором масштабных (геометрически подобных) моделей нуклеотидов, с помощью которых они проверяли положение всех атомов входящих в состав молекулы ДНК. Исходя из того, что

- нуклеотид состоит из пентозы, связанной с фосфатной группой и основанием,

- число пиримидиновых оснований равно числу пуриновых и

- полимер имеет спиральную структуру, они задались целью проверить предположение, что молекула ДНК состоит из двух спиральных полинуклеотидных цепей, удерживаемых вместе благодаря спариванию оснований, принадлежащих соседним цепям. Основания удерживаются вместе благодаря водородным связям: аденин связывается с тимином двумя водородными связями, гуанин с цитозином - тремя (рис. ). Уотсон в свое время попытался представить себе именно такой порядок спаривания оснований и позже вспоминал об этом так: "от радости я почувствовал себя на седьмом небе, ибо тут я уловил возможность ответа на мучившую нас загадку: почему число остатков пуринов в точности равно числу остатков пиримидинов?".

Хотя водородные связи при других сочетаниях оснований в принципе возможны, но они, во-первых, гораздо слабее, а, во-вторых, при таком сочетании основания оказываются очень точно подогнанными друг к другу и общая форма и размер этих пар оснований одинаковы, так как обе пары содержат по три кольца. Два пурина занимали бы слишком много места (4 кольца), а два пиримидина - слишком мало (2 кольца) чтобы заполнить промежутки между двумя цепями.

В модели Уотсона-Крика ДНК состоит из двух нитей (или цепей). Эти цепи образуют нечто вроде веревочной лестницы в которой роль "веревок" играют сахарофосфатные остовы этих цепей, а роль "перекладин" - основания (рис. 3.4). Каждая "перекладина" состоит из двух оснований соединенных водородными связями. Вся "лестница" ДНК закручена в спираль, которая называется двойной, поскольку она состоит из двух цепей, закрученных одна вокруг другой. Цепи удерживаются вместе благодаря образованию водородных связей. Однако стабильность двойной спирали определяется в основном взаимодействием расположенных параллельно –электронных систем оснований, а не водородными связями. В данном случае говорят об энергии стэкинг-взаимодействия.

Статья Уотсона и Крика (1953, журнал Nature), в которой сообщалось о расшифровке структуры ДНК, заняла всего две странички, однако она явилась краеугольным камнем, на котором построено здание современной биологии. Эта столь простая и вместе с тем изящная модель вызвала среди ученых невероятное волнение. Как сказал Уотсон: "Это было так красиво, что не могло быть неверно".