Химия жизни

Нуклеиновая кислота— «нить жизни»

Молекулы нуклеиновых кислот очень велики, они содержат десятки, сотни и тысячи отдельных звеньев — нуклеотидов. Конечно, как и у белков, последовательность различных нуклеотидов в цепи (т. е. первичная структура нуклеиновой кислоты) еще не определяет всех ее свойств. Очень важна ее вторичная структура, т. е. форма, которую приобретает реальная молекула нуклеиновой кислоты. Особенно важную роль в науке сыграло выяснение вторичной структуры ДНК, создание ее правильной модели. В 1953 г. английские ученые Д. Уотсон и Ф. Крик выполнили это. Такая модель называется моделью Уотсона — Крика. Оказалось, что ДНК обычно находится в природе в форме двойной спирали: две нити ДНК обвивают друг друга подобно двум переплетенным проводам (рис. 6).

Рис. 6. Схематическое изображение двойной спирали ДНК. Азотистые основания А, Г, Т и Ц находятся внутри спирали. Они попарно соединены водородными связями. Фосфатные группы (Ф) и остатки дезоксирибозы (Д) расположены снаружи спирали.

Чем же удерживаются эти две нити от раскручивания? Как и в случае а-спирали белков, основную роль здесь играют водородные связи, возникающие в данном случае между гетероциклическими основаниями. Для их образования необходимы два условия — в одной цепи должно быть «большое» основание (пурин), в другой — «малое» (пиримидин); в одной должно быть аминосоединение, в другой — ке-тосоединение. Вследствие этих условий реально могут существовать лишь две пары: А — Т и Г — Ц (рис. 7). Два «малых» основания (Т—Ц, Т—Т, Т — Ц и т. д.) не смогут удерживаться, так как между ними будет слишком большое расстояние и невозможна прочная водородная связь. Для двух «больших» оснований в спирали не хватит места. Два аминооснования (А и Ц) или два кетооснования (Т и Г) не могут создавать водородную связь. Поэтому в двойной спирали друг другу будут соответствовать лишь две пары: А — Т и Г — Ц. Таким образом, если в молекуле ДНК имеется участок АТТЦАГГТ, то в соответствующей (или, как обычно говорят, в комплементарной, т. е. дополняющей ее) цъпи будет участок ТААГТЦЦА.

Рис. 7. Пары азотистых оснований способны давать устойчивые водородные связи при образовании двойной спирали ДНК. Аденин связан с тимином двумя водородными связями (прерывистая полоса), а гуанин с цитозином — тремя.

Эта особенность ДНК дает ответ на такой важный вопрос, как принципиальный механизм передачи наследственных признаков. Сейчас накоплен очень большой экспериментальный материал, убедительно доказывающий, что основной хранитель наследственной информации — молекулы ДНК. Важнейшим свойством вещества — хранителя информации — должна быть его способность к самовоспроизведению, т. е. возможность «изготавливать абсолютно точные копии». Строение ДНК как двойной спирали с комплементарными цепями автоматически обеспечивает это свойство.

Представим себе, что под влиянием каких-то Факторов скрученная цепь начинает раскручиваться. Пусть она раскрутится сверху вначале на 4 звена:

На освободившихся концах начинается построение вторых цепей. Рядом с А может оказаться лишь Т, рядом с Т — А, рядом с Ц — Г и т. д.

Когда две цепи исходной молекулы ДНК полностью раскрутятся и каждая из них дополнится вновь синтезированной цепью (обвивающейся вокруг половины старой двойной спирали), получатся вместо одной две совершенно одинаковые двойные спирали: у каждой из них одна нитка образовалась из «старой» молекулы, а другая была синтезирована вновь. Таким образом, получается точная копия исходной молекулы ДНК.

Конечно, одного свойства самовоспроизведения еще недостаточно, чтобы ДНК могла определять передачу наследственных признаков. Была выяснена другая важная особенность этих полимеров: последовательность мононуклеотидов в молекуле ДНК определяет последовательность аминокислот в синтезируемых организмом белках, в первую очередь в ферментах. Эту зависимость включения в белок той или иной аминокислоты от определенной последовательности нуклеотидов обычно называют генетическим, кодом. Каковы его особенности? Во-первых, каждой аминокислоте соответствует определенная последовательность трех расположенных рядом нуклеотидов — так называемых триплетов нуклеотидов. Например, триплет ТТТ (в рибонуклеиновой кислоте ему отвечает триплет УУУ) соответствует аминокислоте фенилаланину, триплет ГЦУ — аланину и т. д. Нужно отметить, что большинство аминокислот кодируется двумя-тремя сходными триплетами. Определенные триплеты являются как бы сигналами начала или конца образования пептидной цепи белка (фермента). Таким образом, все многообразие растений, животных и человека закодировано в очень длинных молекулах дезоксирибонуклеиновых кислот.

Отсюда становятся понятны роль и строение гена, само существование которого еще недавно пытались отвергать некоторые ученые. Ген состоит из ДНК, в которой закодировано строение какой-то пептидной цепи (в частности, строение какого-то фермента).