Полинуклеотиды: строение и функции¶
Полинуклеотиды — это биополимеры, состоящие из множества ковалентно связанных между собой нуклеотидных звеньев. К этому классу соединений относятся дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК), которые обеспечивают хранение, передачу и реализацию генетической информации во всех живых организмах. Полинуклеотиды представляют собой линейные (реже разветвлённые) цепи, в которых остатки мононуклеотидов соединены фосфодиэфирными связями, а порядок их чередования задаёт первичную структуру молекулы.
¶Химическое строение
Мономером полинуклеотидной цепи служит нуклеотид, включающий три компонента:
- азотистое основание — пуриновое (аденин, гуанин) или пиримидиновое (цитозин, тимин, урацил);
- углевод (пентозу) — дезоксирибозу в ДНК или рибозу в РНК;
- фосфатную группу.
Связь между нуклеотидами образуется за счёт взаимодействия фосфата одного звена с гидроксильной группой углевода другого. Такая связь называется 3′→5′-фосфодиэфирной. Цепь имеет направленность: на одном конце остаётся свободная фосфатная группа (5′-конец), на другом — свободная гидроксильная группа (3′-конец). Именно эта полярность определяет направление синтеза и считывания нуклеиновых кислот.
Молекулярная масса полинуклеотидов варьирует в широких пределах: от нескольких тысяч у коротких транспортных РНК до миллиардов у хромосомной ДНК эукариот.
¶Уровни структурной организации
Различают несколько уровней организации полинуклеотидных молекул.
Первичная структура — последовательность нуклеотидов в цепи, соединённых фосфодиэфирными связями. Именно она кодирует генетическую информацию.
Вторичная структура — пространственная укладка, стабилизируемая водородными связями между комплементарными основаниями. Классический пример — двойная спираль ДНК, описанная Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком в 1953 году. В ней аденин спаривается с тимином (две водородные связи), а гуанин — с цитозином (три связи). В РНК вторичная структура образуется за счёт внутрицепочечного спаривания, формируя «шпильки», петли и стебли.
Третичная структура — трёхмерная конформация молекулы. У ДНК она реализуется через суперспирализацию и укладку в хроматин, у РНК — через сложные глобулярные формы (например, у транспортных и рибосомных РНК).
¶Типы полинуклеотидов
| Тип | Углевод | Основания | Локализация |
|---|---|---|---|
| ДНК | дезоксирибоза | А, Т, Г, Ц | ядро, митохондрии, пластиды |
| Матричная РНК (мРНК) | рибоза | А, У, Г, Ц | ядро, цитоплазма |
| Транспортная РНК (тРНК) | рибоза | А, У, Г, Ц | цитоплазма |
| Рибосомная РНК (рРНК) | рибоза | А, У, Г, Ц | рибосомы |
Помимо природных, существуют синтетические полинуклеотиды, получаемые химическим или ферментативным путём и применяемые в лабораторной практике.
¶Биологические функции
ДНК хранит наследственную информацию и обеспечивает её передачу дочерним клеткам при репликации. Устойчивость двойной спирали и механизмы репарации защищают геном от повреждений.
РНК выполняет несколько функций:
- матричная — служит матрицей для синтеза белка на рибосомах;
- транспортная — доставляет аминокислоты к месту трансляции;
- рибосомная — формирует структурную основу рибосом и участвует в катализе;
- регуляторная — малые РНК управляют экспрессией генов.
Некоторые РНК обладают каталитической активностью (рибозимы), что связывают с гипотезой «мира РНК» о происхождении жизни.
¶Методы исследования
Для изучения полинуклеотидов применяют секвенирование (метод Сэнгера, технологии нового поколения), электрофорез в геле, полимеразную цепную реакцию, рентгеноструктурный анализ и спектроскопические методы. Развитие этих технологий позволило расшифровать геном человека и множества других организмов.
¶Значение и применение
Полинуклеотиды лежат в основе молекулярной биологии, генетики и биотехнологии. На их свойствах базируются:
- генетическая диагностика наследственных заболеваний;
- разработка вакцин, включая мРНК-препараты;
- генная терапия и редактирование генома;
- судебная медицина и установление родства;
- создание биосенсоров и наноматериалов.
В России исследования нуклеиновых кислот ведут институты Российской академии наук, в том числе Институт молекулярной биологии имени В. А. Энгельгардта и Институт биоорганической химии имени академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова.
¶Источники
- Альбертс Б. и др. Молекулярная биология клетки.
- Уотсон Дж. Молекулярная биология гена.
- Спирин А. С. Молекулярная биология. Структура и биосинтез нуклеиновых кислот.
- Сингер М., Берг П. Гены и геномы.