Наследственность и нуклеиновые кислоты

На определённом этапе развития биологических знаний одним из достаточно загадочных явлений жизни являлась наследственность, т.е. способность каждого вида производить потомство с сохранением свойств родителей. Передать свойства по наследству означает повторить строгий порядок аминокислот во всех белках. Эти белки не могут быть переданы новому организму в полном наборе, поскольку развитие организма начинается с микроскопической клетки. Следовательно, клетка должна обладать механизмом синтеза белков и иметь инструкцию с записью необходимого порядка аминокислот.

Носителем информации о строении белков в клетке являются особые молекулы, относящиеся к классу нуклеиновых кислот. Из этих кислот основная роль в хранении и передаче наследственной информации принадлежит дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК).

ДНК – это линейный полимер, состоящий из 2 параллельных цепей, связанных водородными связями. Каждая из этих цепей представляет собой последовательность сотен тысяч мономеров, называемых нуклеотидами. В состав одного нуклеотида (рис.3.4) входит остаток фосфорной кислоты, пятиуглеродный моносахарид дезоксирибоза и азотистое основание. В ДНК используется четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). Особенностью этих оснований является способность попарно соединяться водородными связями за счёт соответствия их пространственной конфигурации и распределения электронной плотности (электрического заряда). Такая особенность называется комплементарностью. Аденин всегда образует пару с тимином (А-Т), а гуанин - с цитозином (Г-Ц).

При наличии одной цепочки нуклеотидов к каждому из них может последовательно присоединяться соответствующий комплементарный нуклеотид с формированием второй цепочки. Такой процесс построения одной химической структуры в соответствии с уже готовой молекулярной формой   получил название матричный синтез. Распределение внутримолекулярных сил в образующейся двойной цепочке таково, что она закручивается в спираль вокруг продольной оси. Данные, позволившие расшифровать строение ДНК, накапливались в течение всей первой половины ХХ столетия. Структура в виде двунитчатой спирали  окончательно была установлена в 1952 г. английскими учёными: биофизиками Френсисом Криком (р.1916), Морисом Уилкинсом (р. 1916) и американским биохимиком Джеймсом Уотсоном (р. 1928), получившими за это открытие Нобелевскую премию 1962 г.

Упрощенное символическое изображение ДНК без учёта множества химических и физических деталей может выглядеть следующим образом:

 - ц – г – а – т – а – т – т – ц – г – а – т – а – т – а – г – ц – а – а –а -

 - Г – Ц – Т – А – Т – А – А – Г – Ц – Т – А – Т – А – Т – Ц – Г – Т – Т – Т -

   триплет (кодон)

Порядок соединения аминокислот в белке записывается в ДНК порядком соединения нуклеотидов в одной цепи. Каждая аминокислота кодируется тремя рядом стоящими нуклеотидами. Такая тройка называется триплетом или кодоном. В каком порядке идут триплеты, в таком порядке в дальнейшем в клетке будут соединяться аминокислоты. Участок ДНК, кодирующий одну белковую молекулу, называется ген.

Главным свойством ДНК, обеспечивающим передачу наследственной информации из клетки в клетку, является способность каждой молекулы производить свою точную копию. Перед началом деления клетки двойная спираль раскручивается специальными ферментами и разъединяется на две самостоятельные нити. Каждая нить при участии фермента ДНК-полимеразы достраивает вторую цепочку, присоединяя имеющиеся свободные нуклеотиды. В результате взамен существовавшей одной двойной спирали появляются две её точных копии. Такой процесс удвоения ДНК получил название редупликация. После окончания редупликации клетка приступает к делению с образованием двух новых клеток, в каждой из которых находится по одной молекуле ДНК.

Помимо ДНК в клетке имеется ещё несколько видов нуклеиновых кислот, которые называются рибонуклеиновыми (РНК). Эти нуклеиновые кислоты отличаются тем, что являются преимущественно одноцепочечными, синтезируются матричным способом на соответствующих участках ДНК и не имеют в своём составе тимина, который в процессе синтеза заменяется на ещё один вид азотистых оснований – урацил (У). В нуклеотидах РНК происходит также замена дезоксирибозы на рибозу.

Информационная РНК (иРНК) представляет собой копию гена и непосредственно участвует в процессе синтеза белка (переносит информацию с ДНК на белок). Транспортная РНК (тРНК) – небольшие молекулы, осуществляющие доставку аминокислот к  иРНК и определяющие точное местоположение каждой аминокислоты, присоединяясь к  соответствующему триплету иРНК. Рибосомальная РНК (рРНК) – крупные молекулы, входящие в состав рибосом, являющихся органоидами, осуществляющими процесс синтеза белков.

К классу нуклеиновых кислот следует также отнести относительно небольшие молекулы, являющиеся основными накопителями и переносчиками химической энергии в клетке. Такими молекулами являются аденозинтрифосфат (АТФ) и гуанозинтрифосфати (ГТФ). Обе молекулы имеют однотипное строение и представляют собой соответствующий нуклеотид, соединённый с двумя остатками фосфорной кислоты. Химические связи между остатками фосфорной кислоты характеризуются большой энергоёмкостью. При их разрыве выделяется большое количество энергии, которая может быть использована для осуществления различных биохимических процессов.