Разгадка приближается

Еще в 1869 году швейцарский биохимик Фридрих Мишер обнаружил в ядре клеток соединения с кислотными свойствами и с еще большей молекулярной массой, чем белки. Альтман назвал их нуклеиновыми кислотами, от латинского слова "нуклеус" - ядро. Так же, как и белки, нуклеиновые кислоты являются полимерами. Мономерами их служат нуклеотиды, в связи с чем нуклеиновые кислоты можно еще называть полинуклеотидами.

Нуклеиновые кислоты были найдены в клетках всех организмов, начиная от простейших и кончая высшими. Самое удивительное, что химический состав, структура и основные свойства этих веществ оказались сходными у разнообразных живых организмов. Но если в построении белков принимают участие около 20 видов аминокислот, то разных нуклеотидов, входящих в состав нуклеиновых кислот, всего четыре.

В живых клетках содержится два типа нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Как ДНК, так и РНК несут в себе нуклеотиды, состоящие из трех компонентов: азотистого основания, углевода, остатка фосфорной кислоты. Однако комбинации этих компонентов у ДНК и РНК несколько различны.

Фосфорная кислота в молекулах ДНК и РНК одинакова. Углевод же имеется в двух вариантах: у нуклеотидов ДНК - дезоксирибоза, а у нуклеотидов РНК - рибоза. И рибоза, и дезоксирибоза - пятичленные, пятиуглеродистые соединения - пентозы. У дезоксирибозы, в отличие от рибозы, лишь на один атом кислорода меньше, что и определяет ее название, так как дезоксирибоза в переводе с латинского означает лишенная кислорода рибоза. Строгая локализация дезоксирибозы в ДИК, а рибозы - в РНК, как вы уже догадались, как раз и определяет название этих двух видов нуклеиновых кислот.

Третий компонент нуклеотидов ДНК и РНК - азотистые соединения, то есть вещества, содержащие азот и обладающие щелочными свойствами. В нуклеиновые кислоты входят две группы азотистых оснований. Одни из них относятся к группе пиримидинов, основу строения которых составляет шестичленное кольцо, а другие - к группе пуринов, у которых к пиримидинову кольцу присоединено еще и пяти- членное кольцо.

В состав молекул ДНК и РНК входят два разных пурина и два разных пиримидина. В ДНК имеются пурины - аденин, гуанин и пиримидины - цитозин, тимин. В молекулах РНК те же самые пурины, но из пиримидинов - цитозин и вместо тимина - урацил. В зависимости от содержания того или иного азотистого основания нуклеотиды называются адениловыми, тимиловыми, цитозиловыми, урациловыми, гуаниловыми.

Как же соединяются между собой нуклеотиды в длинные полинуклеидные цепи? Оказывается, что такое соединение осуществляется путем установления связи между остатком молекулы фосфорной кислоты одного нуклеотида и углеводом другого. Образуется сахаро-фосфорный скелет молекулы полинуклеотида, к которому сбоку один за другим присоединяются азотистые основания.

Если учесть, что в каждой нуклеиновой кислоте по четыре вида азотистых оснований, то можно представить себе множество способов расположения их в цепи, подобно тому как можно в самой разной последовательности нанизать на нитку бусинки четырех цветов - красные, белые, желтые, зеленые. Последовательность расположения нуклеотидов в цепях молекул нуклеиновых кислот так же, как и аминокислот в молекулах белков, строго специфична для клеток разных организмов, то есть носит видовой характер.

ДНК представляет собой двойную спираль, РНК - одинарную молекулу.

Полинуклеидные цепи достигают гигантских размеров. Вполне понятно, что в связи с этим они так же, как и белки, определенным образом упакованы в клетке.

Модель структуры молекулы ДНК впервые создали биохимики из Кембриджского университета в Англии Джеймс Уотсон и Френсис Крик. Было показано, что молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой, с образованием двойной спирали. Причем контакты существуют между обеими полинуклеотидными цепями, точнее, между пурином одного нуклеотида и пиримидином другого. Так что внешне молекулу ДНК можно представить как своего рода перекрученную веревочную лестницу.

Образование связей в молекуле ДНК - процесс строго закономерный. Адениловый нуклеотид может образовывать связи лишь с тимиловым, а гуаниловый только с цитозиловым. Эта закономерность получила название принципа комплементарности, то есть дополнительности. В самом деле, такая строгая последовательность в выборе пары наводит на мысль, что в двойной молекуле ДНК аденин как бы дополняет тимин и наоборот, а гуанин соответственно - цитозин, как две половинки разбитого зеркала.

Принцип комплементарности позволяет понять механизм уникального свойства молекул ДНК - их способности самовоспроизводиться. ДНК - это единственное вещество в живых клетках, обладающее подобным свойством. Процесс самовоспроизведения молекул ДНК происходит при активном участии ферментов. Особые расплетающие белки последовательно как бы проходят вдоль системы водородных связей, соединяющих азотистые основания обеих полинуклеотидных цепей, и разрывают их. Образовавшиеся в результате одиночные полинуклеотидные цепи ДНК достраиваются согласно принципу комплементарности с помощью фермента за счет свободных нуклеотидов, всегда находящихся в цитоплазме и ядре. Напротив гуанилового нуклеотида становится свободный цитозиловый нуклеотид, а напротив цитозилового, в свою очередь, гуаниловый и так далее. Во вновь образовавшейся цепи возникают углеводно-фосфатные и водородные связи. Таким образом, в ходе самовоспроизведения ДНК из одной молекулы синтезируются две новые.

ДНК в клетке локализована в основном в ядре, в его структурных компонентах - хромосомах. Свое название хромосома (от греческого "хрома" - цвет, "сома" - тело) получила из-за интенсивной окрашиваемости при приготовлении цитологических препаратов.

Внешне хромосому можно сравнить, пожалуй, с нитью, на которую нанизаны бусинки. Это гены, обладающие различными свойствами. Они не похожи друг на друга, и каждый в отдельности оказывает специфическое влияние на физиологию клетки и развитие организма, контролирует строго определенный процесс Комплекс же генов, свойственный набору хромосом в целом, "управляет" деятельностью клетки.

Конструкцию хромосомы можно наблюдать под микроскопом на клетке слюнных желез плодовой мушки, или, как ее еще называют, мухи дрозофилы. С этой мелкой, сероватой мушкой все мы хорошо знакомы. В слюнных железах ее хромосомы достигают гигантских размеров. Именно поэтому многие генетики проводят свои опыты и исследования на дрозофилах.

В состав хромосом, как было выяснено, помимо ДНК, входят белки.

В отличие от ДНК, РНК имеет меньшие размеры, меньшую молекулярную массу и представлена одной нитью. РНК находится и в ядре и в цитоплазме. В живых клетках встречается несколько видов РНК: информационная, рибосомная, транспортная. РНК различаются между собой по составу, по молекулярной массе и выполняемым функциям. Подробнее особенности каждого вида РНК мы рассмотрим при анализе процессов биосинтеза белка.

Весьма сходно с нуклеотидами РНК другое важнейшее органическое вещество, известное как аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). АТФ представляет собой нуклеотид, состоящий из азотистого основания - адеина, углевода - рибозы и трех молекул фосфорной кислоты, в отличие от нуклеотидов ДНК и РНК, имеющих только одну молекулу фосфорной кислоты. Эти три молекулы обуславливают уникальные свойства АТФ как универсального энергетического материала клетки. Они определяются тем, что связи, возникающие между тремя остатками молекул фосфорной кислоты, обладают большой потенциальной энергией, которая высвобождается при их разрывах. Поэтому такие связи называются макроэргическими. При отрыве одной молекулы фосфорной кислоты АТФ превращается в аденозиндифосфорную кислоту (АДФ), а при отрыве и второй молекулы - аденозинмонофосфорную кислоту (АМФ).

Не трудно догадаться, что наибольшую ценность в роли аккумулятора энергии представляет АТФ. Высвобождающаяся при разрыве макроэргических связей энергия затрачивается на жизнедеятельность клетки, в частности на процессы биосинтеза необходимых для нее органических веществ - углеводов, липидов, белков.