Нуклеиновые кислоты представляют собой полимеры нуклеотидов, служащие основой хранения и передачи генетической информации в живых организмах. Основные типы нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Каждый нуклеотид состоит из трёх компонентов: азотистого основания, пятиуглеродного сахара и фосфатной группы. В ДНК сахар — дезоксирибоза, в РНК — рибоза, что определяет различие в химической стабильности и функциональной роли этих молекул.
Азотистые основания делятся на пурины (аденин, гуанин) и пиримидины (цитозин, тимин в ДНК; цитозин, урацил в РНК). В ДНК последовательность нуклеотидов формирует генетический код, определяющий синтез белков. В РНК выполняются различные функции: мРНК переносит генетическую информацию от ДНК к рибосомам, тРНК обеспечивает доставку аминокислот, рРНК входит в состав рибосом.
Первичная структура нуклеиновой кислоты — это линейная последовательность нуклеотидов, соединённых фосфодиэфирными связями между 3’-гидроксильной группой одного сахара и 5’-фосфатом следующего. Именно последовательность оснований определяет уникальность каждой молекулы и закладывает основу для вторичной и третичной организации.
Вторичная структура ДНК формируется за счёт водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями: аденин связывается с тимином двумя водородными связями, гуанин — с цитозином тремя. Основная конформация — двойная спираль Б-ДНК, характеризующаяся правозакрученными витками, внутренним и внешним бороздками. У РНК вторичная структура разнообразнее: стебли-петли, шпильки, псевдоузлы, формирующие локальные стабильные элементы благодаря внутримолекулярным водородным связям.
Третичная структура нуклеиновых кислот определяется пространственной укладкой спирали или одиночной цепи в трёхмерное пространство. В ДНК это суперспирали и упакованные в хроматин структуры, обеспечивающие компактное хранение генетического материала. В РНК третичная структура критически важна для каталитической активности (рибозимы), специфического узнавания других молекул и формирования функциональных комплексов.
Репликация ДНК — процесс точного копирования генетического материала перед клеточным делением. Он происходит с участием ферментов ДНК-полимераз, хеликаз и топоизомераз, обеспечивающих разворачивание двойной спирали и синтез новых цепей по принципу комплементарности. Транскрипция — синтез РНК на матрице ДНК, включающий инициацию, элонгацию и терминацию, с участием РНК-полимеразы и факторов транскрипции.
Нуклеиновые кислоты обладают полярностью, высокой гидрофильностью и способностью к ионной и водородной диссоциации. Фосфатные группы обеспечивают отрицательный заряд молекулы, важный для взаимодействия с белками и ионами металлов. Азотистые основания могут подвергаться алкилированию, окислению и деаминированию, что приводит к мутациям или модификациям, влияющим на стабильность и функцию молекул.
ДНК служит стабильным носителем генетической информации и участвует в её передаче через поколения. РНК выполняет разнообразные роли: информационные (мРНК), структурные (рРНК), транспортные (тРНК), регуляторные (миРНК, сиРНК) и каталитические (рибозимы). Комбинация этих функций обеспечивает точность синтеза белков, регуляцию генетической активности и адаптацию клеток к внешним и внутренним изменениям.
Структура и функции нуклеиновых кислот изучаются с помощью спектроскопии (УФ- и ИК-спектры), рентгеноструктурного анализа, ядерного магнитного резонанса, электрофореза и молекулярного клонирования. Современные методы секвенирования позволяют определять первичную последовательность с высокой точностью, а крио-ЭМ и компьютерное моделирование — реконструировать третичную структуру и динамику молекул.
Химические и ферментативные модификации нуклеиновых кислот включают метилирование оснований, окисление сахаров, введение искусственных азотистых аналогов. Эти изменения используют в эпигенетике, молекулярной терапии и создании синтетических геномов. РНК-технологии, включая РНК-интерференцию и мРНК-вакцины, демонстрируют практическое применение знаний о структуре и функции нуклеиновых кислот в медицине и биоинженерии.