Нуклеиновые кислоты. Строение и функции

Нуклеиновые (от лат. nucleus — ядро) кислоты — сложные органические соединения. Они состоят из углерода, водорода, кислорода, азота и фосфора.

Существуют два типа нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. Они могут находиться как в ядре, так и в цитоплазме и ее органоидах.

ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота. Это биологический полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей, соединенных друг с другом. Мономеры — нуклеотиды, составляющие каждую из цепей ДНК, представляют собой сложные органические соединения. ДНК состоит из четырех азотистых оснований: производных пуринов — аденина (А) и гуанина (Г) и производных пиримидинов — цитозина (Ц) и тимина (Т), пятиатомного сахара пентозы — дезоксирибозы, а также остатка фосфорной кислоты (рис. ).

В каждой цепи нуклеотиды соединяются между собой  ковалентными связями: дезоксирибоза одного нуклеотида соединяется с остатком фосфорной кислоты последующего нуклеотида. Две цепи объединяются в единую молекулу водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями, входящими в состав нуклеотидов, образующих разные цепи. Пространственная конфигурация азотистых оснований различна и количество таких связей между разными азотистыми основаниями неодинаково. Вследствие этого они могут соединяться только попарно: азотистое основание аденин (А) одной цепочки пол и нуклеотида всегда связано двумя водородными связями с тимином (Т) другой цепи, а гуанин (Г) — тремя водородными связями с азотистым основанием цитозином (Ц) противоположной полинуклеотидной цепочки. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов, в результате которого формируются пары А—Т и Г—Ц, называется комплементарностью (рис. 15). Если известна последовательность оснований в одной цепи (например, Т —Ц—А—Т—Г), то благодаря принципу комплементарности (дополнительности) станет, известна и противоположная последовательность оснований (А-Г-Т-А-Ц).

Рис. Участок молекулы ДНК. Комплементарное соединение нуклеотидов разных цепей.

Цепи нуклеотидов образуют правозакрученные объемные спирали по 10 оснований в каждом витке. Последовательность соединения нуклеотидов одной цепи противоположна таковой в другой, т.е. цепи, составляющие одну молекулу ДНК, разнонаправленны, или антипараллельны: последовательность межнуклеотидных связей в двух цепях направлена в противоположные стороны: 5' —3' и 3' —5'. Сахаро-фосфатные группировки нуклеотидов находятся снаружи, а азотистые основания — внутри. Цепи, закрученные друг относительно друга, а также вокруг общей оси, образуют двойную спираль. Такая структура молекулы поддерживается в основном водородными связями (рис.).

Вторичную структуру ДНК впервые установили американский биолог  Дж.Уотсон и английский физик Ф. Крик.

Рис.  Схема строения двойной спирали ДНК: А — плоскостная модель, жирной чертой обозначен сахаро-фосфатный остов; Б —объемная модель

При соединении ДНК с определенными белками (гистонами) степень спирализации молекулы повышается - возникает суперспираль ДНК, толщина которой существенно возрастает, а длина сокращается (рис. ). Единицей компактизации молекулы ДНК служит нуклеосома, основу которой составляют 8 молекул гистонов, по 2 каждого типа (Н2А, Н2В, НЗ и Н4). Поверхности этих белковых молекул несут положительные заряды и образуют остов, вокруг которого может закручиваться отрицательно заряженная молекула ДНК. В каждую нуклеосому входит от 146 до 200 пар нуклеотидов. Гистон пятого типа -  Н1 - соединяется с участками ДНК, связывающими одну нуклеосому с другой.. Такая ДНК носит название линейной или соединительной — линкерной.  Нуклео

сомы расположены вдоль ДНК на определенном расстоянии,неодинаковом в зависимости от типа клеток — от 20 до 50 нм. Так образуется структура, похожая на бусы, где каждая бусина — нуклеосома.

Рис. . Схема образования суперспирали ДНК.

        30 нм