Полинуклеотиды — макромолекулы нуклеиновых кислот¶
Полинуклеотиды — это линейные полимерные молекулы, состоящие из последовательно соединённых нуклеотидов, связанных фосфодиэфирными связями. Полинуклеотиды являются структурной основой нуклеиновых кислот — ДНК и РНК, — определяя их первичную структуру (последовательность нуклеотидов), которая хранит и передаёт генетическую информацию во всех известных живых организмах и большинстве вирусов.
¶Структура полинуклеотидов
¶Мономерные звенья
Каждое звено полинуклеотида — нуклеотид — состоит из трёх компонентов: азотистого основания (пуринового или пиримидинового), пентозы (рибозы в РНК, дезоксирибозы в ДНК) и остатка фосфорной кислоты. Нуклеотиды полимеризуются через 3′- и 5′-углеродные атомы сахаров, образуя сахаро-фосфатный «скелет» молекулы. Направленность цепи обозначают по 5′→3′-порядку.
¶Основания и комплементарность
В ДНК встречаются четыре основания: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T). В РНК тимин заменён урацилом (U). Согласно правилам комплементарности Уотсона—Крика, A паруется с T (или U), а G — с C через два-три водородных связывания. Именно комплементарность обеспечивает точную репликацию ДНК и транскрипцию РНК.
¶Вторичная структура
Одноцепочечные полинуклеотиды могут сворачиваться, формируя сложные вторичные структуры — петли, шпильки, стебли — за счёт внутрицепочечного спаривания оснований. Двухцепочечная ДНК образует правую спираль (B-форма) с шагом витка около 3,4 нм и 10 пар нуклеотидов на виток. РНК формирует разнообразные структуры: тРНК содержит стебель-петлю, «клеверный лист» и акцепторный хвост; рибосомальная РНК входит в состав рибосомы, выполняя каталитическую (рибозимную) функцию.
¶Классификация
Полинуклеотиды разделяют по типу пентозы и составу оснований:
| Тип | Пентоза | Основания | Локализация |
|---|---|---|---|
| ДНК (дезоксирибонуклеотидная цепь) | Дезоксирибоза | A, G, C, T | Хромосомы, митохондрии, пластиды |
| РНК (рибонуклеотидная цепь) | Рибоза | A, G, C, U | Цитоплазма, ядро, рибосомы |
По числу цепей различают одноцепочечные (большинство РНК, геномы многих вирусов) и двухцепочечные (геномная ДНК эукариот и прокариот, РНК некоторых вирусов) полинуклеотиды.
¶Биосинтез
¶Репликация ДНК
Репликация катализируется ДНК-полимеразой, которая синтезирует новую цепь в 5′→3′-направлении, используя матрицу. Процесс требует праймера (короткого рибонуклеотидного или дезоксирибонуклеотидного отрезка), инициальной хеликазы для разделения цепей и многочисленных белков-ассистентов. У прокариот репликация начинается с одного участка (origin of replication), у эукариот — с множества origins на каждой хромосоме.
¶Транскрипция
РНК-полимераза синтезирует одноцепочечную РНК-копию гена. В прокариотах транскрипция и трансляция сопряжены во времени и пространстве; у эукариот транскрипция происходит в ядре, а матричная РНК подвергается сплайсингу, 5′-кэпированию и 3′-полиаденилированию перед выходом в цитоплазму.
¶Химический синтез
Метод фосфороамидитной химии позволяет синтезировать полинуклеотиды заданной последовательности длиной до нескольких сотен нуклеотидов. Этот подход применяется в молекулярной биологии, диагностике (ПЦР-праймеры, зонды) и генной инженерии.
¶Биологическое значение
Полинуклеотиды выполняют три ключевые роли:
- Хранение информации — последовательность нуклеотидов ДНК кодирует аминокислотные последовательности белков и регуляторные элементы.
- Перенос информации — матричная РНК служит посредником между геном и рибосомой; транспортная РНК доставляет аминокислоты; рибосомальная РНК катализирует пептидные связи.
- Каталитическая активность — рибозимы (например, пептидилтрансферазный центр рибосомы, сплайсосомный U2-снРНП) являются полинуклеотидами, обладающими ферментативной активностью, что подтверждает гипотезу «мира РНК».
¶Применение
Синтетические полинуклеотиды используются в ПЦР, секвенировании нового поколения, генотипировании, создании плазмид и векторов, а также в разработке нуклеиново-кислотных вакцин (например, мРНК-вакцин против COVID-19). Метод CRISPR-Cas9 опирается на короткие направляющие РНК — производные полинуклеотидов — для адресного редактирования генома.
¶История
Термин «нуклеиновая кислота» введён Фридрихом Мизером в 1871 году после выделения вещества из ядер лейкоцитов. Первичную структуру ДНК как полинуклеотида установили Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик в 1953 году, опираясь на рентгеноструктурные данные Розалинды Франклин и Мориса Уилкинса. Механизм биосинтеза белка по матрице полинуклеотида описан в гипотезе «единой гипотезы» (модель гена) в 1961 году.
¶История
- Лёвин, Гольдберг. Молекулярная биология клетки. — М.: БИНОМ, 2016.
- Альбертс и др. Молекулярная биология клетки. — М.: Мир, 2013.
- Watson J.D., Baker T.A. Molecular Biology of the Gene. — Pearson, 2014.