Нуклеїнові кислоти

Порівняння структури дволанцюгової ДНК та одноланцюгової РНК та азотистих основ, що входять до їх складу

Нуклеїнові кислоти — складні високомолекулярні біополімери, мономерами яких є нуклеотиди. Вперше їх виявлено в ядрі клітини, звідки й походить назва цих сполук (від лат. nucleus — ядро).

Історія дослідження

Вперше нуклеїнові кислоти були виділені у 1869 році з ядер лейкоцитів ран людини в результаті досліджень Фрідріха Мішера. Мішер працював у Тюбінгенському університеті та намагався дослідити хімію найпростіших, з його точки зору клітин людського організму. Спочатку він намагався виділяти лейкоцити з лімфатичних вузлів, проте не зміг отримати необхідної для аналізу кількості. Тоді він став збирати матеріал з використаних для бинтування ран пов'язок у сусідній лікарні - й домігся успіху.

Загальний опис

Структура нуклеїнової кислоти

Нуклеїнові кислоти (полінуклеотиди) є біополімерами, які побудовані із ланок нуклеозидів, пов'язаних між собою фосфодиетерними зв'язками. У свою чергу нуклеозиди - це N-глікозиди рибози або дезоксирибози із пуриновими або піримідиновими основами. Природні нуклеїнові кислоти — ДНК і РНК — виконують у всіх живих організмах роль передачі і експресії генетичної інформації. Цей термін був введений Рихардом Альтманом. Вперше їх виявлено в ядрі клітини, звідки й походить назва цих сполук (від лат. нуклеус — ядро). Молекула нуклеотиду складається із залишків нітрогеновмісного гетероциклу (азотистої основи), п'ятивуглецевого моносахариду (пентози) і фосфатної кислоти. Розрізняють два типи нуклеїнових кислот: дезоксирибонуклеїнову (ДНК) і рибонуклеїнову (РНК). До складу ДНК входить залишок пентози дезоксирибози, до складу РНК — рибози.

Ферментативний гідроліз нуклеїнових кислот розщеплює їх на фрагменти, які називаються нуклеотидами й нуклеозидами.

нуклеїнова кислота $\xrightarrow {{\mathsf {H_{2}O}},\ {\text{Фермент}}}$ нуклеотид ${\xrightarrow[{\mathsf {-H_{3}PO_{4}}}]{{\mathsf {H_{2}O}},\ {\mathsf {OH^{-}}}}}$ нуклеотид $\xrightarrow {{\mathsf {H_{2}O}},\ {\mathsf {H^{+}}}}$ Цукор + гетероциклічна основа

(фосфат-Цукор-гетероциклічна основа) (Цукор-гетероциклічна основа)

Якщо аденін, гуанін (пуринові основи) і цитозин (піримідинова основа) виділяються під час гідролізу і ДНК, і РНК, то четвертою основою у РНК є урацил (піримідинова основа), а у ДНК - тимін (піримідинова основа).

Нуклеозиди містять залишки моносахариду і гетероциклічної сполуки (пуринової або піримідинової основи). Назви нуклеозидів утворюються з кореня назви нітрогеновмісної основи і суфікса -ідин (для піримідинових основ) та суфікса -озин (для пуринових основ), наприклад, уридин, гуанозин.

Нуклеотиди скадаються із залишків гетероциклічної основи, моносахариду і фосфатної основи і є фосфатними естерами нуклеозидів. Назва нуклеотидів складається з назви відповідного нуклеозиду і положення фосфатного залишку, наприклад, аденозин-5'-фосфат, уридин-5'-фосфат.

Структура

Нуклеїновим кислотам, як і білкам, притаманна первинна структура — певна послідовність розташування нуклеотидів, а також складніша вторинна і третинна структури, які формуються за допомогою водневих зв'язків, електростатичним та іншим взаємодіям.

Будова

Нуклеїнові кислоти є біополімерами, мономерами яких є нуклеотиди. Нуклеотиди є складними ефірами нуклеозиду і фосфорної кислоти і з'єднуються через залишок фосфорної кислоти (фосфодіестерний зв'язок). Нуклеозид складається з вуглеводу — пентози (рибози або дезоксирибози, залежно від типу нуклеїнової кислоти) і азотистої основи (пуринового або піримідинового). Відстань між нуклеотидами в складі полінуклеотиду становить 0,34 нм.

ДНК і РНК

• ДНК — дезоксирибонуклеїнова кислота. Цукор — дезоксирибоза, азотисті основи: пуринові — гуанін (G), аденін (A), піримідинові — тимін (T) і цитозин (C). ДНК часто складається з двох полінуклеотидних ланцюжків, направлених антипаралельно.
• РНК — рибонуклеїнова кислота. Цукор — рибоза, азотисті основи: пуринові — гуанін (G), аденін (A), піримідинові урацил (U) і цитозин (C). Структура полінуклеотидного ланцюжка аналогічна такій в ДНК, дволанцюжкові РНК зустрічаються тільки у вірусів. Через особливість рибози, молекули РНК часто мають різні вторинні і третинні структури, утворюючи дволанцюгові ділянки через комплементарні взаємодії всередині молекули, наприклад шпильки.

Інфрачервона спектроскопія

До основних типів коливань відносяться валентні й деформаційні. Для появи деформаційних коливань необхідно витратити меншу енергію, ніж для валентних, тому вони мають меншу частоту. У свою чергу, частота $\nu$ визначається масою атомів та енергією зв'язку. Збільшення енергії зв'язку підвищує частоту. Валентні коливання, які відбуваються уздовж між'ядерного зв'язку, бувають двох типів: синфазні $\nu _{s}$ і антифазні $\nu _{as}$, для яких ще застосовують відповідні терміни "симетричні" й "антисиметричні".

Деформаційні коливання, які відбуваються поза лінією між'ядерного зв'язку, бувають ножичні, маятникові, крутильні, віялові.

По групам смуг поглинання у спектрі умовно можна виділити три області: області 4000-2000 та 1700-1500 см^-1, пиписувані зазвичай коливанням основ та СН-груп дезоксирибози ДНК, та область 1300-1000 см^-1, приписувану коливанням цукру й фосфатних груп скелету молекул ДНК.

Смуги коливань скелету нуклеїнових кислот у ІЧ-спектрі: $\parallel ,\perp$ - поляризація, $\nu$ - валентні, $\delta$ - плоскі, $\beta$ - неплоскі, $r$ - маятникові, $\omega$ - віялові деформаційні коливання, $\gamma$ - деформаційні коливання кільця (крутильні)

Група	Число груп	Інтенсивність	Очікувана частота коливань, см-1	Частота у спектрі, см-1
				У ДНК	У РНК	Полірибоаденілова кислота
	1	Сильна Сильна	$\nu _{as}1220$ $\nu _{s}1085$	$1230\perp$ $1224\parallel$ $1084-$ $89\perp$	$1225\perp$ $1084\parallel$	$1240\perp$ $1090\parallel$
${\mathsf {{-}C{-}O{-}P}}$	2	Сильна Сильна	$\nu 1100$ $\nu \sim 900$	$1053\perp$ $965\perp$	$1070\parallel$ $937\perp$	- $920\parallel$
${\mathsf {{-}O{-}P{-}O{-}}}$	1	Середня Слабка	$\nu _{as}820$ $\nu _{s}760-750$	$820\parallel$ $784\parallel$	$810\perp$	$820$
${\begin{array}{c}{\mathsf {{-}C{-}O{-}C{-}}}\\{\text{кільце}}\end{array}}$	1	Сильна Сильна Слабка Сильна Сильна	$\nu _{as}1100-1070$ $\nu _{s}940-910$ $\gamma 650-600$ $\nu _{as}2970-2920$ $\nu _{s}2860-2850$	$1050\perp$ $1024\parallel$ $970\perp$ $2900$ $2800$	$990\perp ,\,960\parallel$	$990\perp ,965\parallel$ $645\parallel ,630\parallel$
	2	Слабка Слабка Слабка	$\delta 1465-1445$$\omega \sim 1380$ $r825-800$	$1450\perp$ $1301\perp$$825\parallel$	$890\parallel$	$880\parallel$
${\mathsf {{-}OH}}$	1	Сильна Сильна Слабка	$\nu 3630$ $\delta 1250$ $\beta 750-650$	-	$1250\perp$ $780,730$	$780\parallel$
	1	Сильна	$\nu _{\text{виродж.}}1125-1085$ $\nu _{s}\sim 800$	-	$1130-1120\perp$ $810\perp$	$1116\perp$ $1130\parallel$ $820\perp$
	3	Середня Слабка Слабка	$\nu 2980-2890$ $\delta 1440-1400$ $\beta 900-650$	$2850$ $1410\perp$	$1400\perp$	$1420\perp$
${\mathsf {{-}C{-}C{-}}}$	2	Слабка	$\nu 955$	$915$	$910$

Віднесення смуг ІЧ-спектру ДНК до коливань окремих зв'язків скелету (за винятком смуг у області 3500-2000 см-1, 1705, 1220, 1084 см-1) варто розглядати як орієнтоване. Варто відзначити, що коливання повійних зв'язків кілець основ сильно спряжені. У спектрах дейтерованої ДНК спостерігається зсув більшості смуг поглинання у области низьких частот внаслідок ізотопного обміну $\mathrm {H-D}$ у $\mathrm {NH_{2}}$ та $\mathrm {NH}$-групах основ.

Джерела

• А. В. Сиволоб (2008). Молекулярна біологія (PDF). К: Видавничо-поліграфічний центр "Київський університет". с. 65-103.
• А. В. Сиволоб, К. С. Афанасьєва (2012). Молекулярна організація хромосом (PDF). К: Видавничо-поліграфічний центр "Київський університет".

Посилання

• DNA from the beginning Сайт, присвячений ДНК
• Структура нуклеїнових кислот
• Nucleic Acids Database База даних структур нуклеїнових кислот
• Biochemistry of nucleic acids Біохімія нуклеїнових кислот
• Що таке ДНК та РНК — відео Tokar.ua