Нуклеиновые кислоты

В клетке нуклеиновые кислоты взаимодействуют с белками, образуя либо долгоживущие структуры (например, нуклеоид у бактерий, хромосомы у эукариот и рибосомы у всех живых организмов), либо многочисленные функциональные комплексы, время жизни которых определяется выполняемой ими функцией. В вирусных частицах нуклеиновые кислоты также связаны с белками.

Важнейшая характеристика любой нуклеиновой кислоты – её нуклеотидная последовательность (называемая также первичной структурой ДНК или РНК), т. е. порядок чередования четырёх нуклеотидных остатков в полинуклеотидной цепи. Определение первичной структуры нуклеиновых кислот осуществляется с помощью автоматических секвенаторов (от англ. sequence – последовательность), которые работают в сочетании с суперкомпьютерами и способны за сутки расшифровывать последовательности ДНК длиной в десятки и сотни миллионов нуклеотидных остатков. Благодаря этому современные базы данных содержат гигантский объём информации о первичной структуре ДНК и РНК, в том числе о полной структуре геномов множества вирусов и организмов, включая человека. Эта информация представляет большой интерес для биологии, медицины и биотехнологии. Она анализируется с помощью методов биоинформатики.

В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик установили, что в основе пространственной организации макромолекулы ДНК лежит принцип комплементарности нуклеиновых оснований. Они показали, что макромолекула ДНК представляет собой спираль, в которой 2 полинуклеотидные цепи закручены вокруг общей оси и удерживаются одна возле другой за счёт того, что аденин одной цепи спарен всегда только с тимином, находящимся напротив него в другой цепи, и гуанин, аналогичным образом, спарен только с цитозином.

Работе Уотсона и Крика предшествовали открытие в 1944 г. О. Эйвери с сотрудниками (США) того факта, что с помощью ДНК генетические признаки могут быть перенесены из одной клетки в другую, а также фундаментальное исследование в конце 1940-х гг. Э. Чаргаффом с сотрудниками количественного нуклеотидного состава ДНК из многих организмов. Научная группа Чаргаффа показала, что для этих молекул строго соблюдается правило равенства содержания остатков: А=Т и G=С.

Основываясь на известной структуре ДНК и принципе комплементарности нуклеиновых оснований, Уотсон и Крик предложили механизм редупликации ДНК и тем самым описали явление наследственности на молекулярном уровне. Публикация их работы положила начало молекулярной биологии, главным объектом которой были и остаются нуклеиновые кислоты.

Принципы организации макромолекулярной структуры РНК установлены на рубеже 1950–1960-х гг. работами лабораторий П. Доти (США), А. С. Спирина (СССР). Макромолекулы РНК, за редким исключением, построены из одной полинуклеотидной цепи. Характерные элементы вторичной структуры РНК – короткие двуспиральные «шпильки», перемежающиеся однотяжевыми участками. Вся молекула РНК укладывается в компактную третичную структуру, стабилизированную взаимодействиями между достаточно удалёнными друг от друга во вторичной структуре нуклеотидными остатками. При взаимодействии с белками происходит стабилизация макромолекул РНК.

В основе биосинтеза нуклеиновых кислот лежат матричный принцип и принцип комплементарности нуклеиновых оснований. Синтез ДНК (репликация) и РНК (транскрипция) осуществляется ферментами ДНК- и РНК-полимеразами соответственно, которые производят комплементарное копирование ДНК-матриц. Матрицей для синтеза ДНК может служить также однотяжевая РНК (например, РНК ретровирусов или РНК-компонент теломеразы), комплементарное копирование которой осуществляет фермент обратная транскриптаза. В случае многих РНК-содержащих вирусов матрицей для синтеза РНК служит вирусная РНК.

В процессе или после завершения синтеза ДНК её гетероциклические основания (главным образом аденин и цитозин) могут подвергаться специфическому метилированию, в результате которого изменяется активность определённых генов. Такая модификация ДНК лежит в основе одного из главных эпигенетических механизмов клетки. Азотистые основания вновь образованных РНК (в особенности транспортных и рибосомных РНК) также специфически модифицируются, что необходимо для их правильного функционирования. Важной модификацией, которой подвергаются все известные типы клеточных РНК, называемой редактированием РНК, является дезаминирование определённых остатков аденина и превращение их в инозин.

Если фундаментальная биологическая роль ДНК состоит в хранении заключённой в ней генетической информации, то функции РНК более разнообразны. Они играют ключевую роль на всех этапах биосинтеза белка и прямо участвуют в регуляции активности генов (в том числе посредством РНК-интерференции). У ряда РНК, называемых рибозимами, открыта способность катализировать разнообразные биохимические реакции.

Нуклеиновые кислоты – основной объект современной биотехнологии, что обусловлено возможностью создавать искусственные ДНК и РНК с заданными свойствами методами генетической инженерии.