2. Нуклеиновые кислоты

Еще в  XIX веке из клеток были выделены значительно различающиеся по молекулярным массам полимерные кислоты, строение которых было уста-новлено только в конце 40-х годов прошлого века. Высокомолекулярные фракции этих биополимеров были собраны в ядрах (nucleus) клеток и по-этому они получили общее название нуклеиновые кислоты. При гидролизе высокомолекулярные нуклеиновые кислоты разлагались на производные пиримидина – тимин и цитозин, на производные пурина – аденин и гуанин, а также на дезоксирибозу и фосфорную кислоту; по сахаридной компоненте их стали называть дезоксирибонуклеиновыми кислотами (ДНК) :

При гидролизе  нуклеиновых кислот меньшей молекулярной массы получали урацил, цитозин, аденин, гуанин, рибозу и фосфорную кислоту, они получили называние рибонуклеиновые кислоты (РНК) :

Наряду  с этими структурными элементами в продуктах гидролиза нуклеиновых кислот содержались также состоявшие из этих же молекул продукты неполного гидролиза более сложного строения, среди которых были построенные по принципу N-гликозидов продукты конденсации гетеро-циклов и рибозы или дезоксирибозы – нуклеозиды, а также продукты фос-форилирования нуклеозидов по 5¢-положению (нуклеотиды) и по 3¢-положению рибозидного или дезоксирибозидного фрагмента, например:

Исходя  из этого можно было сделать вывод о том, что нуклеиновые кислоты представляют собой линейные продукты поликонденсации нуклео-тидов, в которых к полимерной цепочке из чередующихся фрагментов рибозы или дезоксирибозы и фосфорной кислоты присоединены гетероциклические основания:

Урацил, тимин и цитозин относятся к производным гетероциклического соединения пиримидина, а аденин и гуанин – производные пурина. В метаболических процессах, но не в построении нуклеиновых кислот, участвуют также 6-гидроксипурин (гипоксантин), 2,6-дигидроксипурин (ксантин), а 1,3,7-триметилксантин – это кофеин.

Одним из продуктов метаболического превращения  пуриновых оснований является мочевая  кислота – 2,6,8-тригидроксипурин. Это  вещество плохо растворимо в воде и его отложение в тканях тела и в суставах является причиной болезни, известной под названием подагра.

Для всех оснований, входящих в состав нуклеиновых  кислот, характерна так называемая лактамлактимная таутомерия, например на цитозине это выражается равновесием:

В лактимных формах возможны реакции гидролитического дезаминирования, в результате которых, например, цитозин может превращаться в урацил, а гуанин – в ксантин:

Биосинтез нуклеотидов идет следующим образом: 5¢-фосфат (дезокси)рибозы фосфорилируется аденозинтрифосфатом по аномерной гидроксиль-ной группе с образованием 1¢-пирофосфата 5¢-фосфо-a-(дезокси)рибозы, например:

затем пирофосфатное производное пентозы реагирует с азотистым основанием с образованием соответствующего b-фосфо-(дезокси)рибозида и с выделением пирофосфата, который при этом гидролизуется на две молеку-лы фосфорной кислоты (чтобы реакция стала необратимой).

Так образуются аденозинмонофосфат (AMФ), гуанозинмонофосфат (ГМФ, на этой схеме представлен его биосинтез) и другие нуклеотиды (в латин-ской транскрипции CMP, UMP, dAMP, dGMP, dCMP и TMP).

Из представленной схемы следует, что роль азотистых оснований не сводится только к участию в образовании ДНК и РНК. В виде рибозидов они участвуют в образовании основного носителя свободной химической энер-гии аденозинтрифосфата (АТФ, АТР), его аналога гуанозинтрифосфата (ГТФ, GTP), некоторых участвующих в метаболизме веществ, относящих-ся к коферментам, и других биомолекул.

По аналогичной  схеме с участием АТФ идет и поликонденсация нуклеотидов с образованием ДНК или РНК. ДНК представляет собой основное вещество, несущее наследственную информацию. В этих соединениях записана вся программа построения многих вирусов, прокариотических клеток (у многих из них молекула ДНК – плазмида – имеет кольцевую структуру), эукариотических клеток и многоклеточных организмов. Собранные в клеточном ядре эукариотической клетки молекулы ДНК включают генные участки, ген – это часть гигантской молекулы ДНК, содержащая инфор-мацию о последовательности аминокислот, составляющих одну белковую молекулу. В эукариотических клетках в ходе их деления различаются компактные образования из различных белков и молекул ДНК, называемые хромосомами (от гр. – окрашиваемые тельца). Из всех составляющих клетки соединений только хромосомы подходили на роль носителей на-следственности, и именно ДНК лучше всего соответствовала этой роли. Это было показано в различных экспериментах. Одно из таких доказа-тельств роли ДНК было получено в опытах на пневмококках. Мутантный невирулентный штамм этого микроорганизма можно было снова сделать вирулентным, добавив в среду, но которой он развивается, ДНК из вирулентного штамма. Для полного исключения возможного участия в этом белков, от которых ДНК на том этапе исследований не удавалось очистить полностью, выделенную из вирулентных штаммов ДНК обрабатывали дезоксирибонуклеазой, гидроли-зующей только ДНК, и после этого продукт гидролиза терял способность переносить свойство вирулентности. 

Синтез  белка идет в цитозоле на рибосомах, представляющих собой комплекс белков и рибосомальных рибонуклеиновых кислот (рРНК), а собран-ная в ядре эукариотических клеток ДНК передает информацию о амино-кислотной последовательности белка с помощью еще одной РНК – матрич-ной (мРНК), синтезируемой на основе кодирующей цепи генного участка ДНК. Взаимоотношения ДНК – РНК – белок строятся по схеме

Основа  полимерной цепи ДНК представлена чередующимися  молекулами фосфорной кислоты и  дезоксирибозы, аномерные гидроксильные группы которой замещены на остатки тимина, цитозина, аденина и гуанина. Эти фрагменты нуклеотидов и определяют пространственную организацию ДНК, образуя знаменитую двойную спираль из двух цепей ДНК за счет реализации водородных связей в парах цитозин-гуанин и аденин-тимин.

Цепи  ДНК в паре антипараллельны, одна из них кодирующая – на ней идет синтез РНК, а другая комплементарная, по ней проверяются ошибки, нарушения структуры ДНК. Кодирование аминокислотной последовательности в белке осуществляется тройками из нуклеотидных фрагментов. Здесь простая арифметика: пара из четырех оснований даст только 16 различных сочетаний, а белковых аминокислот 20. Число возможных комбинаций из четырех оснований по три равно 64. Из этого следует, что многие аминокислоты кодируются не одной, а несколькими триплетами (вырожденность генетического кода). Кодирующие аминокислоты тройки называют кодонами, и лишь три кодона не относятся ни к какой аминокислоте. Их обычно называют бессмысленными, но на самом деле у них есть смысл – они обозначают конец гена, конец сборки белковой цепи на этом участке ДНК. Молекула РНК подобна комплементарной цепи ДНК, но вместо тиминового фрагмента у нее стоит урацильный:

Можно представить себе, что есть рамка считывания информации с молекулы ДНК, в которую входят три нуклеотидных участка. Смещения рамки за счет выпадения одного нуклеотидного фрагмента (делеции) или добав-ления лишнего (вставки) приведут к транскрипции с образованием мРНК, трансляция с которой даст совсем другую аминокислотную последовательность, причем синтезируемый с этим сбоем белок может оказаться достаточно большим, поскольку из 64 вариантов кодонов только три останавливают биосинтез белка.

На самом  деле процесс считывания информации с ДНК гораздо сложнее. Последовательность кодирующих белок участков ДНК в  гене (экзоны) прерывается участками, которые не несут информации о белке – это так называемые интроны. При транскрипции сначала считывается вся последовательность экзонов и интронов с образованием первичного транскрипта РНК, из которого затем вырезаются участки, соответствующие интронам, а экзонные участки соединяются в одну цепь – идет процесс образования зрелой мРНК (сплайсинг). Понятно, что начало и конец интронов обозначены определенным сочетанием оснований, во всяком случае, все они начинаются с GU и кончаются AG (сплайсинг осуществляет аналог рибосомальной РНК – мяРНК – малая ядерная РНК). Биологическая роль интронов состоит, очевидно, в облегчении эволюции живого за счет ошибок в ходе сплайсинга с перетасовкой готовых блоков из РНК.

Как говорилось во введении, именно РНК претендует сейчас на роль молекулы, с которой начиналось зарождение жизни. Одним из веских подтверждений этому является возможность самополимеризации фрагментов РНК с образованием более длинных цепей, сворачивающихся в компактные структуры, включающие небольшие спиральные участки, которые аналогичны двойным спиралям ДНК. Кроме матричной и рибосомальной РНК клетки содержат значительное количество других РНК с меньшей молекулярной массой, например, транспортные РНК (тРНК), которые переносят аминокислоты к рибосомам, а также РНК с каталитической активностью (рибозимы). Интересно, что в составе этих «дополнительных» РНК есть гетероциклические структурные элементы, отличные от перечисленных выше, например, инозин, 1-метил-гуанозин и псевдоуридин:

3.1. Повреждения ДНК

Сочетание кислотных и основных функциональных групп в молекуле ДНК делает ее достаточно чувствительной к рН среды и к присутствию в ней катионов металлов. Так, например, двухнитевая спираль устойчива только в среде с определенным содержанием ионов натрия и калия в достаточно узком интервале значений рН. В то же время ионы переходных металлов легко образуют комплексы с азотными функциями гетероциклических фрагментов молекулы ДНК, и поэтому они могут серьезно влиять на процессы репликации и транскрипции. Ионы металлов могут образовывать комплексы с ДНК как с участием воды (в гидратированной форме), так и без нее. Понятно, что включение в структуру ДНК дополнительных компонент нарушает естественный ход считывания информации с этой макромолекулы, что ведет к мутациям, то есть к изменению исходной структуры образовавшейся в результате репликации ДНК. Для многоклеточного организма это может привести к появлению аномальных клеток, что лежит в основе тератогенного (отклонения в развитии плода) или онкогенного (возникновение злокачественных опухолей) эффекта ионов тяжелых металлов. В частности, установлено, что в присутствии избыточных концентраций ионов меди и марганца резко возрастает число мутантных клеток бактерий. Установлена канцерогенность солей хрома и никеля, токсичны соли кадмия, ртути, серебра, висмута. В отдельных случаях бактерицидные свойства таких солей (особенно серебра) используются для борьбы с пато-генными микроорганизмами, хотя, конечно, токсическое действие этих металлов не ограничивается только нуклеиновыми кислотами.

В полимерной молекуле ДНК, которая предназначена для длительного хранения информации, нет свободных гидроксильных групп. В отличие от этого молекула РНК достаточно легко деполимеризуется за счет переэтерификации с образованием циклического фосфата:

И все  же, ионы меди, ртути, кадмия даже в очень  низких концентрациях приводят к  появлению разрывов в цепях ДНК  за счет гидролиза. Еще более серьезные  повреждения молекул наследственного  вещества вызываются совместным действием  ионов таких металлов и ионизирующего или коротковолнового электромагнитного излучения. Это особенно важно в связи с растущим загрязнением окружающей среды тяжелыми металлами на фоне радиоактивного заражения и возрастающей интенсивности ультрафиолетового излучения в результате разрушения озонового слоя. Свой вклад в этот процесс вносят и высокочастотные излучения различного происхождения (радиоволны дециметрового и более коротковолновых диапазонов, спутниковые и сотовые телефоны).

Постоянные  повреждения структуры ДНК вызывает ультрафиолетовое и рентгеновское  излучение, а также другие виды радиации. Известно, например, что УФ-излучение вызывает димеризацию расположенных рядом тиминовых фрагментов в молекуле ДНК. Такое связывание приводит к изменению расстояния между основаниями и к сбою в рамке считывания:  

Природа готова к такому повреждению структуры  ДНК и специальная ферментная система обнаруживает такие участки  со связанными тиминовыми молекулами и вырезает их, вставляя «исправные». Если наследственно эта ферментная система дефектна, то тогда проявляется заболевание – ксеродермия, которое заставляет больных избегать солнечного света, иначе очень сильно сохнет на свету кожа и появляются злокачественные опухоли на коже.

В малой  степени, но все же идет гидролиз образующихся в таутомерном превращении иминных функциональных групп в фрагментах цитозина и гуанина, в результате чего эти фрагменты превращаются, соответственно, в урациловый и ксантиновый. Замена цитозина на урацил также распознается репарирующей ферментной системой (именно поэтому в молекуле ДНК роль урацила выполняет тимин). Если бы возможность такого распознавания была исключена, то урацил, образовавшийся из цитозина, оказался бы в аномальной паре с гуанином и тогда репарирующая система встала бы перед неразрешимым вопросом: что надо заменить – урацил на цитозин или гуанин на аденин? Именно для таких исправлений возможных ошибок и служит вторая нить ДНК, они взаимно контролируют друг друга. Воз-можность саморепарации показана в опыте с культурой дрожжей: после облученния летальной для них дозой радиации некоторые дрожжевые клетки могут восстановить жизнеспособность, если их на несколько дней поместить в холодильник.