НУКЛЕИ́НОВЫЕ КИСЛО́ТЫ

НУКЛЕИ́НОВЫЕ КИСЛО́ТЫ (по­ли­нук­лео­ти­ды), био­по­ли­ме­ры, в струк­ту­ре ко­то­рых за­ло­же­на спо­соб­ность к точ­ной ре­ду­п­ли­ка­ции и об­ра­зо­ва­нию спе­ци­фич. ком­плек­сов с бел­ка­ми и друг с дру­гом, что по­зво­ля­ет им вы­пол­нять функ­ции хра­не­ния, пе­ре­да­чи и реа­ли­за­ции ге­не­тич. ин­фор­ма­ции. От­кры­ты И. Ф. Ми­ше­ром в 1868 в яд­рах кле­ток гноя и спер­мы ло­со­ся (от­сю­да назв.: лат. nucleus – яд­ро). Тер­мин «Н. к.» вве­дён в 1889 нем. учё­ным Р. Альт­ма­ном, ко­то­рый пер­вым вы­де­лил их в чис­том ви­де. В Н. к. ко­диро­ва­на ин­фор­ма­ция о строе­нии всех бел­ков клет­ки или ви­ру­са и вре­мен­но́й по­сле­до­ва­тель­но­сти их син­те­за при кле­точ­ном рос­те и диф­фе­рен­ци­ров­ке или ви­рус­ной ин­фек­ции.

Мак­ро­мо­ле­ку­лы Н. к. по­строе­ны из ли­ней­ных по­ли­нук­лео­тид­ных це­пей, мо­но­мер­ны­ми со­став­ляю­щи­ми ко­то­рых яв­ля­ют­ся ос­тат­ки нук­лео­ти­дов – фос­фор­ных эфи­ров нук­лео­зи­дов, в свою оче­редь, со­стоя­щих из ос­тат­ка мо­но­са­ха­ри­да – D-де­зок­си­ри­бо­зы или D-ри­бо­зы и азо­ти­сто­го ос­но­ва­ния. Со­от­вет­ст­вен­но, в за­ви­си­мо­сти от при­ро­ды уг­ле­вод­но­го ос­тат­ка раз­ли­ча­ют де­зок­си­ри­бо­нук­леи­но­вые (ДНК) и ри­бо­нук­леи­но­вые (РНК) ки­сло­ты. В ДНК азо­ти­стые ос­но­ва­ния пред­став­ле­ны дву­мя пу­ри­но­вы­ми ос­но­ва­ния­ми – аде­ни­ном (А) и гуа­ни­ном (G) и дву­мя пи­ри­ми­ди­но­вы­ми ос­но­ва­ния­ми – ти­ми­ном (Т) и ци­то­зи­ном (С). РНК вме­сто ти­ми­на со­дер­жит ура­цил (U). В по­ли­нук­лео­тид­ной це­пи Н. к. ос­тат­ки нук­лео­ти­дов со­еди­не­ны фос­фо­ди­эфир­ны­ми свя­зя­ми.

В клет­ке Н. к. взаи­мо­дей­ст­ву­ют с бел­ка­ми, об­ра­зуя ли­бо дол­го­жи­ву­щие струк­ту­ры (напр., нук­лео­ид у бак­те­рий, хро­мо­со­мы у эу­ка­ри­от и ри­бо­со­мы у всех жи­вых ор­га­низ­мов), ли­бо мно­го­числ. функ­цио­наль­ные ком­плек­сы, вре­мя жиз­ни ко­то­рых оп­ре­де­ля­ет­ся вы­пол­няе­мой ими функ­ци­ей. В ви­рус­ных час­ти­цах Н. к. так­же свя­за­ны с бел­ка­ми. Важ­ней­шая ха­рак­те­ри­сти­ка лю­бой Н. к. – её нук­лео­тид­ная по­сле­до­ва­тель­ность (на­зы­вае­мая так­же пер­вич­ной струк­ту­рой ДНК или РНК), т. е. по­ря­док че­ре­до­вания че­ты­рёх нук­лео­тид­ных ос­тат­ков в по­ли­нук­лео­тид­ной це­пи. Оп­ре­де­ле­ние пер­вич­ной струк­ту­ры Н. к. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся с по­мо­щью ав­то­ма­тич. 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 совр. ба­зы дан­ных со­дер­жат ги­гант­ский объ­ём ин­фор­ма­ции о пер­вич­ной струк­ту­ре ДНК и РНК, в т. ч. 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 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 две 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 др. це­пи, и гуа­нин, ана­ло­гич­ным об­ра­зом, спа­рен толь­ко с ци­то­зи­ном. Ра­бо­те Уот­со­на и Кри­ка пред­ше­ст­во­ва­ло от­кры­тие в 1944 О. Эй­ве­ри с со­труд­ни­ка­ми (США) то­го фак­та, что с по­мо­щью ДНК ге­не­тич. при­зна­ки мо­гут быть пе­ре­не­се­ны из од­ной клет­ки в дру­гую, а так­же фун­дам. ис­сле­до­ва­ние в кон. 1940-х гг. Э. Чар­гаф­фом с со­труд­ни­ка­ми ко­ли­че­ст­вен­но­го нук­лео­тид­но­го со­ста­ва ДНК из мно­гих ор­га­низ­мов, в ко­то­ром бы­ло по­ка­за­но, 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, гл. объ­ек­том ко­то­рой бы­ли и ос­та­ют­ся нук­леи­но­вые ки­сло­ты.

Прин­ци­пы ор­га­ни­за­ции мак­ро­мо­ле­ку­ляр­ной струк­ту­ры РНК ус­та­нов­ле­ны на ру­бе­же 1950–60-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 Н. к. 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 (напр., 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 ге­те­ро­цик­лич. ос­но­ва­ния (гл. обр. аде­нин и ци­то­зин) мо­гут под­вер­гать­ся спе­ци­фич. ме­ти­ли­ро­ва­нию, в ре­зуль­та­те ко­то­ро­го из­ме­ня­ет­ся ак­тив­ность оп­ре­де­лён­ных ге­нов. Та­кая мо­ди­фи­ка­ция ДНК ле­жит в ос­но­ве од­но­го из глав­ных эпи­ге­не­тич. 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 фун­дам. био­ло­гич. роль ДНК со­сто­ит в хра­не­нии за­клю­чён­ной в ней ге­не­тич. ин­фор­ма­ции, то функ­ции РНК бо­лее раз­но­об­раз­ны. Они иг­ра­ют клю­че­вую роль на всех эта­пах био­син­те­за бел­ка (см. Транс­ля­ция) и пря­мо уча­ст­ву­ют в ре­гу­ля­ции ак­тив­но­сти ге­нов (в т. ч. по­сред­ст­вом РНК-ин­тер­фе­рен­ции). У ря­да РНК, на­зы­вае­мых ри­бо­зи­ма­ми, от­кры­та спо­соб­ность ка­та­ли­зи­ро­вать раз­но­об­раз­ные био­хи­мич. ре­ак­ции.

Н. к. – осн. объ­ект совр. био­тех­но­ло­гии, что обу­слов­ле­но воз­мож­но­стью соз­да­вать ис­кус­ст­вен­ные ДНК и РНК с за­дан­ны­ми свой­ст­ва­ми ме­то­да­ми ге­не­тич. ин­же­не­рии. См. так­же Де­зок­си­ри­бо­нук­леи­но­вые ки­сло­ты, Ри­бо­нук­леи­но­вые ки­сло­ты.