Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) представляют собой полимеры, состоящие из нуклеотидов, включающих азотистое основание, моносахарид (дезоксирибоза или рибоза) и фосфатную группу. В растворах нуклеиновые кислоты проявляют специфические физико-химические свойства, определяемые полярностью растворителя, ионной силой среды, температурой и концентрацией солей.
Водные растворы играют ключевую роль в биологических системах, поскольку гидрофильные группы фосфата и гидроксильные группы сахаров формируют водородные связи с молекулами воды. Это обеспечивает высокую растворимость олигомерных и полимерных форм нуклеиновых кислот. С другой стороны, азотистые основания обладают частично гидрофобными свойствами, что определяет тенденцию к внутримолекулярному спиральному упорядочению и образованию вторичной структуры.
Во взаимодействии с растворителем критически важны спаривание оснований и формирование спиралей. В ДНК двойная спираль стабилизируется водородными связями между комплементарными основаниями (А-Т, Г-Ц) и гидрофобными взаимодействиями между плоскими основаниями. В РНК часто наблюдается образование стебель-петля структур за счет внутримолекулярного спаривания, что влияет на динамику растворения и устойчивость к гидролизу.
Фосфатная группа нуклеотидов несет отрицательный заряд, что приводит к электростатическому отталкиванию цепей. Растворимость и конформационная стабильность сильно зависят от присутствия катионов, особенно двухвалентных (Mg²⁺, Ca²⁺), которые экранируют отрицательные заряды и способствуют правильной сборке вторичной и третичной структуры. Одновалентные ионы (Na⁺, K⁺) оказывают более мягкое стабилизирующее действие, позволяя поддерживать растворимость при низкой ионной силе.
Тепловое движение молекул влияет на денатурацию и ренатурацию нуклеиновых кислот. Для ДНК существует специфическая температура плавления (Tm), при которой половина водородных связей между комплементарными цепями разрывается. Величина Tm зависит от длины цепи, GC-содержания, ионной силы раствора и концентрации молекул ДНК. РНК, из-за разнообразия вторичной структуры, демонстрирует более сложную термодинамику плавления, включая многопороговое разрушение локальных структур.
Нуклеиновые кислоты в растворе подвержены гидролизу, катализируемому кислотами, щелочами или ферментами (нуклеазами). Фосфодиэфирная связь обладает относительно низкой устойчивостью к щелочному гидролизу, особенно в РНК, где гидроксильная группа на 2’-положении сахара участвует в внутрирмолекулярной атаке. Скорость гидролиза увеличивается с температурой, при повышенной ионной силе и в присутствии специфических катализаторов.
Растворы нуклеиновых кислот характеризуются специфическим поглощением ультрафиолетового света (λ ≈ 260 нм), что используется для количественного определения концентрации. Денатурация ДНК сопровождается гиперхромным эффектом — увеличением поглощения при разрушении двойной спирали. Термодинамические параметры, такие как энтальпия и энтропия плавления, определяются калориметрически и позволяют моделировать поведение нуклеиновых кислот в различных средах.
Нуклеиновые кислоты образуют комплексы с малой молекулой-лигандом (например, интеркаляторы, металлы), что изменяет конформацию и физико-химические свойства раствора. Такие взаимодействия используются для стабилизации структуры, изменения электрофоретической подвижности и модуляции биологической активности.
Для прогнозирования поведения нуклеиновых кислот в растворе применяются методы молекулярной динамики и статистической механики. Они учитывают гидратацию, электростатику, гибкость цепи и вторичную структуру. Моделирование позволяет оценить конформационную динамику, влияние ионной силы, температуры и концентрации, а также предсказывать взаимодействие с белками и малыми молекулами.
Нуклеиновые кислоты в растворах демонстрируют сложное сочетание гидрофильных и гидрофобных свойств, электростатических взаимодействий и структурной динамики, что делает их ключевыми объектами изучения в биохимии, молекулярной биологии и химии биополимеров.