Нуклеїнові кислоти – хімія

Найважливішими природними полімерами, що забезпечують передачу спадкових властивостей організмів, є нуклеїнові кислоти. Свою назву вони отримали від слова nucleus – «ядро», т. Е. Їх можна назвати «ядерними кислотами».

Розрізняють два типи нуклеїнових кислот: дезоксирибонуклеїнової (ДНК) і рибонуклеїнових (РНК).

Що являє собою нуклеотид? Це трехзвенное з’єднання, що складається з азотистої основи, пов’язаного з вуглеводом (пентози) і залишком фосфорної кислоти.

Подібно білкам, нуклеїнові кислоти мають різні структури. Первинна структура РНК і ДНК визначається порядком чергування нуклеотидів в полімерного ланцюга.

У полімерного ланцюга кожної нуклеїнової кислоти цей порядок визначається всього лише чотирма видами нуклеотидів, які, у свою чергу, відрізняються один від одного природою азотистого підстави. Так, до складу ДНК входять нуклеотиди, мають у своєму складі наступні чотири азотистих підстави: аденін (А), гуанін (Г), тимін (Т) і цитозин (Ц). До складу нуклеотидів РНК входять також чотири азотистих підстави: аденін (А), гуанін (Г), урацил (У) і цитозин (Ц). (Знайдіть відміну РНК і ДНК по вхідних в їх склад азотистих основ.)

Ділянку подвійної спіралі ДНК
Друга відмінність ДНК від РНК ви також без праці назвете самі: в якості вуглеводу пентози нуклеотид ДНК містить дезоксирибозу, а РНК – рибозу.

Крім різної будови нуклеотидів, ДНК і РНК відрізняються також і вторинною структурою. За дослідження у визначенні цієї структури два американські біохіміка Дж. Уотсон і Ф. Крик були удостоєні Нобелівської премії.

РНК являє собою одинарну ланцюг полімеру, а ДНК – подвійну. Подвійна спіраль ДНК побудована в суворій відповідності з принципом комплементарності: проти адениновую нуклеотиду одного ланцюга завжди розташовується тимінових інший полімерного ланцюга, проти гуанінових – завжди цитозинових. Цей порядок обумовлений виникненням водневих зв’язків між комплементарними (доповнюють один одного) нуклеотидами (рис. 79).

Ще одна відмінність ДНК від РНК полягає в їх локалізації в частинах клітини. Так, ДНК знаходиться переважно в хромосомах клітинного ядра (99% всієї ДНК клітини), а також мітохондріях і хлоропластах. РНК ж входить до складу ядерець, рибосом, мітохондрій, пластид і цитоплазми.

Нуклеїнові кислоти розрізняються також числом нуклеотидів: від +80 нуклеотидів в молекулах транспортних РНК до декількох десятків тисяч в ДНК.

ДНК – головна молекула в живому організмі. Вона зберігає генетичну інформацію, яка передається від одного покоління до іншого. У молекулах ДНК в закодованому вигляді записано складу всіх білків організму. Кожній амінокислоті, що входить до складу білка, відповідає свій код в ДНК – певна послідовність з трьох азотистих основ (кодон).

ДНК містить всю генетичну інформацію, але безпосередньо у синтезі білка не бере участь. Роль посередника між ДНК і місцем синтезу білка виконує іРНК. Процес синтезу білка на основі генетичної інформації схематично можна розбити на дві основні стадії: зчитування інформації (транскрипція) і синтез білка (трансляція).

Чудовою властивістю молекули ДНК є можливість її самоудвоения, званого реплікацією. Під дією зовнішніх факторів водневі зв’язки між комплементарними підставами розриваються, і спіраль починає розкручуватися. Паралельно цьому кожна «обзаводиться» другий комплементарної ниткою, синтезованої з підходящих нуклеотидів (рис. 80).

Схема реплікації ДНК.
У результаті реплікації утворюються дві абсолютно однакові молекули ДНК. У кожній з них один полінуклеотідная ланцюжок взята від вихідної ДНК, а друга утворилася в результаті біосинтезу.

Клітини містять три типи РНК, що виконують різні функції.

Рибосомні РНК (рРНК) складають до 85% всієї РНК клітини. Вони входять до складу рибосом і виконують структурну функцію. Крім цього, рРНК беруть участь у формуванні активного центру рибосоми, де відбувається утворення пептидних зв’язків між молекулами амінокислот у процесі біосинтезу білка.

Інформаційні, або матричні, РНК (іРНК) програмують синтез білків молекули. Незважаючи на відносно низький процентний вміст (близько 5%) в загальній масі РНК клітини, іРНК за значенням стоять на першому місці. Вони здійснюють безпосередню передачу коду ДНК до місця синтезу білків. При цьому кожен білок клітини кодується своєї специфічної иРНК. Це обумовлено тим, що іРНК отримує під час свого синтезу інформацію про структуру білка від ДНК у формі скопійованій послідовності нуклеотидів і переносить її на рибосоми, де ця інформація реалізується.

Символом тРНК позначають транспортну РНК. Низькомолекулярні транспортні РНК (тРНК) складають приблизно 10% від всіх клітинних РНК. Кожна тРНК приєднує і переносить певну амінокислоту до рибосоми – місця синтезу білка. Отже, відповідно до 20 видами амінокислот існує і 20 різних тРНК.

Таким чином, значення всіх видів РНК визначається тим, що вони являють собою функціонально об’єднану систему, спрямовану на здійснення в клітці синтезу специфічних для неї білків.

Генетичний код іРНК був розшифрований в 60-х рр. XX ст. Його особливість полягає в тому, що він універсальний для всіх живих організмів від вірусів до людини. Однаковим трійкам підстав в різних РНК відповідають однакові амінокислоти. Ця універсальність є одним із доказів єдиного походження всього живого на Землі.

Існує думка, що процес біологічного старіння викликається тим, що генетична інформація при відтворенні ДНК і білковому синтезі в усі зростаючій мірі передається з помилками.

Розшифровка генетичного коду дозволить у перспективі управляти біохімічними процесами в живих організмах, оскільки вже розроблені хімічні методи синтезу нуклеїнових кислот із заданою послідовністю нуклеотидів.

Знання механізму біосинтезу білка в живій клітині і принципу передачі спадкових властивостей організмів призвело до виникнення і бурхливого розвитку таких на правлінь сучасної біоорганічної хімії, як генна інженерія та біотехнологія.

Кожна клітина в організмі людини містить повний набір генів. У ДНК, наприклад, є ген, який відповідає за синтез інсуліну. Однак «включається» цей ген тільки в особливих клітинах підшлункової залози, які продукують цей гормон.

Інсулін – найважливіший препарат, який використовується для лікування цукрового діабету. Завдання штучного отримання цього гормону білкової природи була вирішена в 80-х рр. XX ст.

Першим із запропонованих шляхів отримання інсуліну був наступний. Пропонувалося взяти клітини підшлункової залози, виростити колонію таких клітин, забезпечити їх необхідними амінокислотами в якості «будівельного матеріалу» для побудови ланцюжка інсуліну, а потім виділити готовий продукт. На жаль, в даний час цей шлях реалізувати складно щодо людських клітин.

Однак технологія вирощування інших, більш грубих типів клітин, особливо клітин бактерій і дріжджів, добре розроблена. Бактерії застосовують при отриманні таких речовин, як молочна і лимонна кислоти. Пивовари протягом тисячоліть використовують дріжджі для перетворення цукрів у етанол. Відносно недавно стали виробляти в біореакторах такі лікарські речовини, як пеніцилін і окситетрациклін, використовуючи цвілеві грибки.

Такі білки, як інсулін, людський гормон росту соматотропін і фактор VIII (або коагулюючий фактор – викликає згортання крові, застосовують при гемофілії), – це продукти генної інженерії. Найважливіша перевага цих препаратів полягає в тому, що вони дешевші і чистіше, ніж речовини, отримані традиційним шляхом. Наприклад, вироблений методом генної інженерії фактор VIII виключає ризик захворювання СНІДом, який існує, коли препарат готують з донорської крові.

Застосування і тим більше потенційні можливості генної інженерії простягаються набагато далі отримання медичних препаратів.

Імунна система людини захищає його від вірусної інфекції, розпізнаючи шар білка в оболонці вірусу. Якщо методом генної інженерії призвести тільки цей білок (без небезпечного вмісту – вірусу) і зробити ін’єкцію, то препарат буде працювати як вакцина. Вакцина проти гепатиту В отримана і діє саме таким чином.

Підприємства та організації по захисту навколишнього середовища можуть широко використовувати модифіковані бактерії і гриби, які перетворять потенційно шкідливі сполуки в нешкідливі. Склавши генетичний набір з декількох бактерій, можна отримати, наприклад, нові «нефтепожірающіе супермікроб». Бактерії обрані для цієї мети тому, що в їх обміні речовин використовуються різні компоненти сирої нафти. Якщо приготувати комбінацію з відповідних генів всіх бактерій, бактерія – носій цієї комбінації – зможе розкладати все сполуки, що містяться в сирій нафті.

Для боротьби з бур’янами та шкідниками рослин методами генної інженерії використовують два підходи. По-перше, гени, що визначають стійкість рослин до дії пестицидів і гербіцидів, трансплантують в штами сільськогосподарських культур. При обробці полів відповідними препаратами шкідники і бур’яни знищуються без шкоди для культурних рослин. По-друге, деякі рослини виробляють свої власні пестициди. Гени, що відповідають за продукування токсичних для шкідливих комах білків, вводять в клітини томатів або зернових. Це зменшує потребу в штучних пестицидах.

За допомогою генної інженерії проводять селекцію сільськогосподарських культур. Гени, що прискорюють фотосинтез або збільшують стійкість до посухи, можуть бути вбудовані в клітини рослин з метою зробити ці рослини придатними для вирощування в менш сонячних або більше посушливих місцевостях. Подальший розвиток цієї технології може розширити область її застосування, поширивши її на гени, що відповідають, наприклад, за зв’язування атмосферного азоту, що дозволить зменшити потребу в мінеральних добривах.

Посилання на основну публікацію