Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК) являются важнейшими биополимерами, которые несут генетическую информацию и участвуют в биосинтезе белков. Они состоят из отдельных структурных единиц — мономеров, которые последовательно соединяются друг с другом, образуя длинные полимерные цепи.
Что такое мономеры
Мономеры — это отдельные низкомолекулярные молекулы, из которых состоят полимеры. Сами по себе мономеры обладают определенными химическими свойствами, но при соединении нескольких мономеров в цепочку образуется полимер с принципиально иными свойствами.
Мономеры ДНК
Основными структурными мономерами ДНК являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид, который входит в состав ДНК, состоит из 3-х компонентов:
- азотистое основание
- пентозный сахар дезоксирибоза
- звено фосфорной кислоты
Мономерами ДНК и РНК являются 4 типа нуклеотидов, отличающихся азотистым основанием:
- аденин (А)
- тимин (Т) — только в ДНК
- гуанин (Г)
- цитозин (Ц) — заменяется на урацил (У) в РНК
В общей сложности существует около 10 типов различных нуклеотидов, но именно эти 4 являются основными структурными мономерами, из которых состоят нуклеиновые кислоты.
Каждая молекула ДНК представляет собой длинную цепь из сотен тысяч нуклеотидов.
Мономеры РНК
Мономером РНК является рибонуклеотид, в состав которого вместо дезоксирибозы входит рибоза. Кроме того, в РНК вместо тимина присутствует урацил.
Таким образом, нуклеотиды, которые входят в состав РНК, отличаются заменой:
- дезоксирибоза - рибоза
- тимин - урацил
| Мономер ДНК | Мономер РНК |
| Дезоксирибонуклеотид | Рибонуклеотид |
| Аденин | Аденин |
| Гуанин | Гуанин |
| Цитозин | Цитозин |
| Тимин | Урацил |
Из этих мономеров ДНК и РНК путем присоединения друг к другу образуются полимерные цепочки, несущие генетическую информацию.
Функции нуклеиновых кислот
ДНК и РНК выполняют в клетке и организме различные, но одинаково важные функции:
- Хранение и передача генетической информации. Последовательность четырех типов нуклеотидов кодирует информацию о строении и особенностях организма.
- Обеспечение биосинтеза белков. На основе последовательности нуклеотидов в РНК синтезируются аминокислоты, из которых затем складываются белки.
- Регуляция активности генов. РНК участвует в сложных процессах транскрипции, сплайсинга и трансляции, которые определяют конечную структуру и функции белка.
Таким образом, мономеры, образующие молекулу РНК, это ключевые "кирпичики жизни", которые играют фундаментальную роль в каждой клетке живого организма.
Присоединение мономеров
Связь между мономерами ДНК и РНК образуется посредством фосфодиэфирной связи. Это ковалентная химическая связь между атомами фосфора и кислорода разных мономеров.
Формирование фосфодиэфирной связи осуществляется с помощью ферментов. Например, при синтезе ДНК участвует фермент ДНК-полимераза. Она подбирает соответствующие мономеры ДНК и присоединяет их друг к другу в нужном порядке.
Таким образом, полинуклеотидная цепь растет за счет присоединения "кирпичиков" — мономеров, комплементарных нити-матрице. При этом исходная последовательность нуклеотидов ДНК или РНК остается неизменной и точно копируется в дочерние молекулы.
Другие функции мономеров ДНК
Помимо основной функции — служить строительными блоками для синтеза полинуклеотидных цепей ДНК и РНК — отдельные мономеры ДНК могут выполнять и другие роли в клетке. Например:
- Выступать в качестве клеточных маркеров и участвовать в процессах иммунного ответа.
- Служить коферментами и помогать ферментам осуществлять биохимические реакции.
- В виде цАМФ принимать участие во внутриклеточной передаче сигнала гормонов и нейромедиаторов.
Из мономеров ДНК и РНК также построены некоторые вирусы, в том числе вызывающий COVID-19. Это обусловливает определенное сходство вирусов с живой клеткой, которое облегчает им паразитирование внутри клеток-хозяев.
Прочность ДНК
Благодаря фосфодиэфирным связям ДНК обладает очень высокой прочностью и стабильностью. Полимерная цепь ДНК способна выдерживать температуру до 140°С без разрушения. Молекулы ДНК располагаются в виде спирали, что защищает генетический код внутри.
Синтез нуклеиновых кислот
Синтез цепей нуклеиновых кислот происходит в противоположных направлениях. Так, при репликации ДНК синтез идет с 5'-конца к 3'-концу цепи. В то время как при транскрипции в РНК синтез осуществляется с 3'-конца к 5'-концу.
Комплементарность нуклеотидов
При спаривании мономеров возникает комплементарное взаимодействие азотистых оснований между двумя цепями. А именно, А всегда связывается с Т, а Г всегда связывается с Ц (или У в РНК) посредством водородных связей. Это называется принципом комплементарности.
Благодаря данному принципу, зная последовательность одной цепи, можно точно предсказать последовательность другой. Это позволяет молекулам ДНК и РНК передавать генетическую информацию с высокой точностью.
Функции рибозы и дезоксирибозы
Дезоксирибоза и рибоза являются важными компонентами ДНК и РНК. Они играют структурную роль, входя в состав «позвоночника» полинуклеотидной цепи. А какие мономеры образуют молекулу РНК определяет присутствие рибозы, что отличает ее от ДНК.
Кроме того, пентозные сахара участвуют в формировании специфической пространственной структуры молекулы. Благодаря дезоксирибозе ДНК имеет форму двойной спирали, а РНК может складываться в причудливые трехмерные структуры.
Особенности цитозина и урацила
Цитозин и урацил — азотистые основания, которые образуют важную часть мономеров ДНК и РНК. При этом урацил является продуктом дезаминирования цитозина и отличается от него тем, что не имеет аминогруппы.
Замена цитозина на урацил в РНК играет очень важную роль. Во-первых, это позволяет отличить РНК от ДНК. Во-вторых, благодаря этому РНК менее стабильна по сравнению с ДНК, что необходимо для выполнения ее функций.
Роль метилирования
Некоторые мономеры ДНК и РНК подвергаются химической модификации − метилированию. При этом к азотистым основаниям присоединяется метильная группа. Так, например, цитозин может метилироваться с образованием 5-метилцитозина.
Метилирование играет важную регуляторную роль и позволяет клетке контролировать работу отдельных генов. Нарушения процессов метилирования приводят к серьезным наследственным болезням.
Повреждения цепей ДНК и РНК
Несмотря на свою прочность, цепи нуклеиновых кислот могут подвергаться различным повреждениям. Спонтанные мутации возникают довольно часто, когда происходит ошибка при встраивании очередного мономера.
Кроме того, цепи ДНК и РНК могут быть разорваны под действием мутагенных факторов - радиации, химических веществ, высокой температуры. Для восстановления целостности ДНК в клетке работают специальные ферменты.
Искусственный синтез нуклеиновых кислот
В лабораторных условиях возможен искусственный синтез цепей ДНК и РНК с заданной последовательностью нуклеотидов. Это позволяет получать фрагменты генов практически любого организма для научных исследований и прикладных целей.
Существуют химические и ферментативные методы синтеза. Первые основаны на органическом синтезе. Вторые более эффективны и используют фермент ДНК-полимеразу in vitro для присоединения мономеров к растущей цепи.
Генетическая инженерия нуклеиновых кислот
Современные методы позволяют не только синтезировать, но и целенаправленно изменять последовательности ДНК и РНК. Эти технологии открывают широкие возможности для генной инженерии и биотехнологии.
С помощью ферментов-рестриктаз можно вносить разрывы в нужных участках ДНК и встраивать новые фрагменты. Это используется для создания генетически модифицированных организмов, лекарственных препаратов, новых материалов.
Перспективы изучения нуклеиновых кислот
Несмотря на многолетнее изучение, ДНК и РНК до сих пор хранят немало загадок. Ученые продолжают исследовать их структуру, взаимодействие с белками, роль в регуляции генов.
Дальнейшее развитие методов секвенирования и редактирования генома открывает фантастические перспективы для генной инженерии. Возможно, в будущем на основе ДНК и РНК будут созданы принципиально новые наноматериалы и вычислительные системы.
