Структура ДНК и РНК

Нуклеиновые кислоты — это биополимеры, состоящие из мономеров, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид содержит три ключевых компонента:

1. Азотистое основание — гетероциклическое соединение, которое подразделяется на пурины (аденин, гуанин) и пиримидины (цитозин, тимин в ДНК; цитозин, урацил в РНК).
2. Пятиуглеродный сахар — дезоксирибоза в ДНК и рибоза в РНК. Отличие сахаров заключается в наличии гидроксильной группы на втором углероде рибозы, что делает РНК более реакционноспособной.
3. Фосфатная группа — соединяется с 5’-углеродом сахара, образуя фосфодиэфирную связь между нуклеотидами, что обеспечивает полимеризацию в длинные цепи.

Фосфодиэфирная связь является ковалентной связью, устойчива к физико-химическим воздействиям и формирует «скелет» нуклеиновой кислоты, в котором чередуются остатки сахара и фосфата, а азотистые основания располагаются перпендикулярно к скелету и направлены внутрь спирали.

Двухцепочная структура ДНК

ДНК в клетках большинства организмов существует в виде двойной спирали, открытой Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком. Основные особенности:

• Комплементарность оснований: аденин образует два водородных соединения с тимином, гуанин — три водородные связи с цитозином. Эта комплементарность обеспечивает точность репликации и стабильность структуры.
• Антипараллельная ориентация цепей: одна цепь направлена 5’ → 3’, другая — 3’ → 5’.
• Правозакрученная спираль: стандартная форма B-ДНК имеет 10 пар оснований на один виток, шаг спирали составляет приблизительно 3,4 нм.
• Мажорная и минорная борозды: обеспечивают доступ белков и ферментов к основаниям для регуляции транскрипции и репликации.

Структура ДНК обладает высокой термодинамической стабильностью за счет водородных связей между основаниями и гидрофобных взаимодействий между плоскостями оснований (stacking interactions).

Одноцепочная структура РНК

РНК в отличие от ДНК чаще встречается в виде одноцепочечной молекулы, хотя может формировать локальные вторичные структуры: петли, шпильки, стебли.

• Структурная гибкость: наличие гидроксильной группы на 2’-углероде делает РНК более склонной к гидролизу и позволяет формировать каталитически активные структуры, как в рибозимах.
• Комплементарные участки: внутри цепи РНК могут образовываться водородные связи между комплементарными сегментами, формируя локальные двойные спирали.
• Разнообразие типов РНК: мРНК (информационная), тРНК (транспортная), рРНК (ррибосомная) имеют специфические вторичные и третичные структуры, необходимые для их функций.

Взаимодействие с белками

Нуклеиновые кислоты формируют нуклеопротеиновые комплексы, ключевые для жизнедеятельности клетки. Примеры:

• Хроматин — ДНК, ассоциированная с гистонами, образует нуклеосомы.
• Рибосомы — рРНК и белки образуют функциональные комплексы для синтеза белка.
• РНК-полимераза и транскрипционные факторы — узнают специфические последовательности оснований через мажорные борозды.

Химические и физико-химические свойства

• Кислотно-основные свойства: фосфатная группа делает нуклеиновые кислоты полянними кислотами, способными образовывать соли с катионами.
• Абсорбция света: азотистые основания поглощают УФ-излучение около 260 нм, что используется для количественного анализа.
• Термическая стабильность: двойная спираль ДНК денатурируется при высоких температурах, разрывая водородные связи, но не фосфодиэфирный скелет.

Основные различия между ДНК и РНК

Биологическая значимость

Структура нуклеиновых кислот обеспечивает точность репликации, транскрипцию генетической информации, регуляцию генной экспрессии и каталитическую активность в виде рибозимов. Взаимодействие с белками и ионами металлов играет критическую роль в поддержании конформации и функциональной активности.

Нуклеиновые кислоты являются фундаментальным компонентом живых систем, их химическая и пространственная организация диктует основные механизмы молекулярной биологии.