Нуклеиновые кислоты и их роль¶

Нуклеиновые кислоты — высокомолекулярные органические соединения, биополимеры, состоящие из повторяющихся мономерных звеньев — нуклеотидов. К ним относятся дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Эти вещества обеспечивают хранение, передачу и реализацию наследственной информации во всех живых организмах, а также участвуют в ключевых процессах клеточного метаболизма. Термин предложен в 1889 году швейцарским биохимиком Рихардом Альтманом, выделившим кислые соединения из ядер клеток.

¶История открытия

В 1869 году швейцарский врач Фридрих Мишер, работая с гноем хирургических повязок, выделил из ядер лейкоцитов вещество, богатое фосфором и азотом, которое назвал «нуклеином». Позднее, в 1871 году, он обнаружил аналогичное вещество в сперматозоидах лосося. В конце XIX — начале XX века были установлены продукты гидролиза нуклеиновых кислот: фосфорная кислота, углеводы и азотистые основания.

В 1928 году Фредерик Гриффит описал явление трансформации у бактерий, а в 1944 году Освальд Эвери, Колин Маклауд и Маклин Маккарти доказали, что носителем наследственности является именно ДНК, а не белок. Решающим стал 1953 год, когда Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик предложили модель двойной спирали ДНК, опираясь на рентгеноструктурные данные Розалинд Франклин и Мориса Уилкинса. В 1959 году Артур Корнберг синтезировал ДНК вне клетки, а Северо Очоа — РНК. В 2003 году завершился международный проект «Геном человека».

¶Строение нуклеотида

Нуклеотид — мономер нуклеиновых кислот — состоит из трёх компонентов:

азотистое основание — пуриновое (аденин, гуанин) или пиримидиновое (цитозин, тимин, урацил);
пятиуглеродный сахар — дезоксирибоза в ДНК, рибоза в РНК;
остаток фосфорной кислоты.

Нуклеотиды соединяются в цепь через фосфодиэфирные связи между сахаром одного нуклеотида и фосфатом другого. Порядок оснований в цепи определяет первичную структуру молекулы и является носителем генетической информации.

¶Виды нуклеиновых кислот

¶ДНК

ДНК представляет собой двойную спираль: две полинуклеотидные цепи закручены вокруг общей оси и удерживаются водородными связями между комплементарными основаниями. Аденин всегда соединяется с тимином (две водородные связи), гуанин — с цитозином (три связи). Это правило называют принципом комплементарности. Молекула ДНК способна к самоудвоению — репликации, что обеспечивает передачу наследственной информации дочерним клеткам. У эукариот ДНК локализована в ядре, митохондриях и пластидах, у прокариот — в нуклеоиде и плазмидах.

¶РНК

РНК обычно одноцепочечная. Вместо тимина в ней присутствует урацил, а вместо дезоксирибозы — рибоза. Выделяют несколько типов:

информационная (матричная) РНК — переносит информацию о структуре белка из ядра к рибосомам;
транспортная РНК — доставляет аминокислоты к месту синтеза белка;
рибосомная РНК — входит в состав рибосом;
регуляторные РНК — участвуют в управлении экспрессией генов.

¶Функции

Нуклеиновые кислоты выполняют ряд фундаментальных функций:

хранение наследственной информации — в последовательности нуклеотидов ДНК закодирована структура всех белков организма;
передача информации — при делении клеток и размножении организмов;
реализация информации — в процессе биосинтеза белка по схеме «ДНК → РНК → белок» (центральная догма молекулярной биологии);
регуляция обмена веществ — через управление синтезом ферментов;
энергетическая роль — АТФ и ГТФ служат универсальными переносчиками энергии в клетке.

¶Биосинтез белка

Процесс включает два основных этапа. Транскрипция происходит в ядре: на одной из цепей ДНК по принципу комплементарности синтезируется матричная РНК. Затем трансляция идёт на рибосомах, где последовательность кодонов мРНК переводится в последовательность аминокислот. Каждой аминокислоте соответствует триплет нуклеотидов — генетический код. Он универсален для всех живых организмов, триплетен, избыточен и неперекрывающ.

¶Значение и применение

Открытие структуры нуклеиновых кислот стало основой молекулярной биологии и генетики. Практические направления включают:

генетическую инженерию — создание рекомбинантных ДНК, трансгенных организмов;
медицину — диагностику наследственных заболеваний, ПЦР-тестирование, разработку вакцин и генотерапию;
криминалистику — ДНК-идентификацию личности;
биотехнологию — производство инсулина, интерферонов и других препаратов;
сельское хозяйство — селекцию устойчивых сортов и пород.

В России исследования в этой области ведут институты Российской академии наук, в частности Институт молекулярной биологии имени В. А. Энгельгардта, основанный в 1957 году, и Институт цитологии и генетики СО РАН в Новосибирске.

¶Интересные факты

Общая длина ДНК всех клеток человеческого организма составляет около 2 × 10¹³ километров, что превышает диаметр Солнечной системы.
Если растянуть ДНК одной клетки человека, её длина составит примерно два метра.
Геном человека содержит около 3 миллиардов пар нуклеотидов, при этом на белок-кодирующие участки приходится менее 2 %.
Бактериофаги и вирусы содержат либо ДНК, либо РНК, но не обе молекулы одновременно.
В 2023 году за разработку мРНК-технологий Каталин Карико и Дрю Вайсману была присуждена Нобелевская премия по физиологии или медицине.

¶Источники

Альбертс Б. и др. Молекулярная биология клетки.
Уотсон Дж. Двойная спираль.
Спирин А. С. Молекулярная биология. Структура и биосинтез нуклеиновых кислот.
Материалы Института молекулярной биологии имени В. А. Энгельгардта РАН.