Азотистые основания: строительный материал для цепочки жизни

Азотистые основания - это кирпичики, из которых построена цепочка жизни на Земле. Без этих важных соединений не было бы ни ДНК, ни РНК. Давайте разберемся, как устроены эти молекулы-строители и почему они так важны.

Что такое азотистые основания и какие они бывают

Азотистые основания - это гетероциклические органические соединения, производные пурина и пиримидина, которые входят в состав нуклеиновых кислот. Их принято сокращенно обозначать латинскими буквами.

Различают два типа азотистых оснований:

• Пуриновые основания - производные пурина. К ним относятся аденин (A) и гуанин (G).
• Пиримидиновые основания - производные пиримидина. Это цитозин (C), тимин (T) и урацил (U).

В состав ДНК входят четыре основных азотистых основания: аденин, гуанин, цитозин и тимин. А в РНК вместо тимина содержится урацил.

Кроме того, в небольших количествах как в ДНК, так и в РНК присутствуют около 50 минорных, или редких, азотистых оснований. Например, 5-метилцитозин.

Азотистые основания представляют собой бесцветные кристаллы, плохо растворимые в воде. Они обладают характерной плоской гетероциклической структурой с двумя азотсодержащими циклами - пиримидиновым и имидазольным.

Азотистые основания - кирпичики для нуклеиновых кислот

Чтобы строить нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК, азотистые основания соединяются с сахарами. Получаются нуклеозиды, в которых N-9 пурина или N-1 пиримидина связаны β-гликозидной связью с C-1' рибозы или дезоксирибозы. Например, аденин + рибоза = аденозин.

Далее к 5'-ОН группе сахара нуклеозида присоединяется остаток фосфорной кислоты и получается нуклеотид . Так, из аденозина и фосфата образуется аденозинмонофосфат или сокращенно АМФ.

Азотистые основания, соединяясь ковалентной связью с 1' атомом рибозы или дезоксирибозы, образуют N-гликозиды, которые называются нуклеозиды.

Далее нуклеотиды через фосфодиэфирные связи соединяются в цепочки, образуя полинуклеотиды - молекулы ДНК или РНК. При этом азотистые основания располагаются строго напротив друг друга по принципу комплементарности:

• Гуанин образует пару с цитозином (G-C) за счет 3 водородных связей
• Аденин взаимодействует с тимином в ДНК (A-T) или урацилом в РНК (A-U) за счет 2 водородных связей

Таким образом, азотистые основания выступают в роли универсальных кирпичиков, из которых строятся полимерные цепи ДНК и РНК - носители генетической информации всех живых организмов.

Химические свойства и биологическая роль азотистых оснований

Будучи включенными в состав нуклеиновых кислот, азотистые основания активно взаимодействуют с ферментами и другими факторами, претерпевая различные химические превращения.

Типичным примером таких реакций является метилирование азотистых оснований - присоединение к ним метильной группы. Метилирование играет важную роль в регуляции активности генов.

Кроме того, на основе азотистых оснований образуется множество биологически активных производных, выполняющих различные функции в клетке:

• Аденозинтрифосфат (АТФ) - основной источник энергии в клетке
• Циклический АМФ (цАМФ) - вторичный посредник в передаче гормональных сигналов
• Флавинадениндинуклеотид (ФАД) - кофермент многих окислительно-восстановительных ферментов

Под действием внешних факторов (УФ-облучения, химических веществ) азотистые основания могут изменять свою структуру. Это в ряде случаев приводит к возникновению стойких мутаций - наследственных изменений в ДНК.

Роль азотистых оснований в синтезе белка

Важнейшей функцией нуклеиновых кислот является хранение и реализация генетической информации, необходимой для синтеза белка в клетке. Этот процесс невозможен без участия азотистых оснований.

На первом этапе происходит транскрипция - считывание информации с молекулы ДНК и запись ее на матричной РНК в виде последовательности нуклеотидов с комплементарными азотистыми основаниями.

Затем наступает этап трансляции, когда матричная РНК взаимодействует с транспортной РНК, несущей определенные аминокислоты. Комплементарное соединение азотистых оснований обеспечивает точный порядок соединения аминокислот в полипептидную цепь с заданной первичной структурой.

Роль азотистых оснований в межвидовом обмене генами

Горизонтальный перенос генов является одним из механизмов эволюции. Он осуществляется с помощью плазмид, бактериофагов и других подвижных генетических элементов.

Этот процесс также невозможен без азотистых оснований. Они обеспечивают узнавание чужеродных нуклеотидных последовательностей и точную встраивку их в геном реципиентной клетки за счет комплементарных водородных связей.

Мутации азотистых оснований и их последствия

Под воздействием мутагенных факторов может происходить химическая модификация азотистых оснований с образованием атипичных соединений. Например, повреждение цитозина под действием УФ-света приводит к возникновению урацила.

Такие измененные основания нарушают строго установленные правила комплементарности при репликации ДНК и ведут к закреплению ошибочных нуклеотидных последовательностей, то есть к мутациям.

Мутации азотистых оснований могут иметь как негативные последствия (наследственные заболевания), так и стать источником генетического разнообразия популяций.

Искусственный синтез новых азотистых оснований

В последние годы ученые научились конструировать полностью искусственные азотистые основания, не встречающиеся в природе. К таким соединениям относятся d5SICS и dNaM.

Показана возможность включения этих синтетических оснований в состав ДНК живых организмов. Они могут образовывать комплементарные пары друг с другом, но не с естественными азотистыми основаниями.

В будущем это открывает перспективы расширения генетического кода и создания организмов с дополнительными свойствами, не присущими природным объектам.