Нуклеиновые кислоты представляют собой длинные неветвящиеся гигантские молекулы (макромолекулы), самые крупные из природных биополимеров.
РНК и ДНК окрашиваются основными красителями и придают базофилию всей кариоплазме.
ДНК и РНК построены из повторяющихся единиц остатков сахаров и фосфорной кислоты, к которым прикреплены боковые ответвления — азотистые основания.
ДНК состоит из двух антипараллельных цепей, содержащих 2-дезокси-D-рибозу (углеводный остаток), пуриновые основания — аденин и гуанин, а также пиримидиновые основания — тимин и цитозин. Цепочки из этих оснований и есть та последовательность, которая хранит информацию об индивидуальных особенностях клетки и организма в целом — генетический код.
Распределение оснований строго упорядоченно и специфично для каждого организма, в то же время индивидуальная специфичность ограничена закономерностями распределения в популяции, виде и т. д. Антипараллельные цепи связаны между собой с помощью водородных связей. Так, в одной из цепей аденин соединяется с тимином другой цепи, а гуанин с цитозином. Они располагаются в определенной последовательности, формируя пары. Число таких пар в одной молекуле ДНК может достигать 40 млн.
Последовательность нуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК — генетический код, посредством которого записана информация о синтезе белков, что определяет тот или иной признак (индивидуальную особенность организма).
Каждая аминокислота кодируется тремя парами оснований — триплетом. Так как оснований четыре, возможных вариантов их распределения в триплете 64, а аминокислот, которые образуют белки, всего 20. Этого более чем достаточно для их кодирования в белке; выяснилось, что код является множественным, или «вырожденным», то есть одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими кодонами-триплетами (от 2 до 6).
Для генетического кода характерна триплетностъ — одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами. Участок, кодирующий одну аминокислоту, называется кодоном. Генетический код также отличает специфичность — каждый кодон соответствует лишь одной аминокислоте; вырожденность, или «избыточность», — количество триплетов выше, чем аминокислот, а общий объем информации, который может быть сохранен в ДНК, больше, чем разнообразие полипептидных цепочек, которые в нем сохранены.
Кроме того, чертами генетического кода являются: универсальность, — это способ сохранения информации, характерный для всех живых организмов; неперекрываемость — генетическая информация, содержащаяся в определенной области ДНК, контролирует лишь один признак и относится к одному, но не к нескольким генам; непрерывность программирования одного признака в пределах одного гена — нет «знаков препинания», и считывание информант осуществляется непрерывно; колинеарность — последовательность кодонов в ДНК строго соответствует последовательности аминокислот в кодируемом им белке.
Между генами имеются «знаки препинания»: урацил-аденин-аденин, урацил-аденин-гуанин, урацил-гуанин-аденин, каждый из которых обозначает прекращение синтеза одной полипептидной цепи. Такие триплеты можно найти в конце каждого гена.
Свойством ДНК является способность к удвоению (репликации). Процесс удвоения ДНК позволяет клетке размножаться при сохранении в каждой новой клетке имеющегося набора генетической информации.
Синтез новой ДНК осуществляется с помощью фермента ДНК-полимеразы в S (синтетический) период интерфазы. В синтетический период интерфазы образуются две цепочки ДНК и одной предшествующей. В результате репликации образуются мне дочерние спирали, каждая из которых сохраняет (консервирует) в неизменном виде одну из половин «материнской» ДНК. Вторые цепи «дочерних» молекул синтезируются из нуклеотидов заново по принципу комплементарности к нитям «материнской» ДНК. Дочерние ДНК ничем не отличаются друг от друга и от материнской двойной спирали (полуконсервативность ДНК).
Каждая цепь ДНК имеет определенную ориентацию. Две комплиментарные цепи в молекуле ДНК расположены в противоположных направлениях — антипараллельно. ДНК-полимеразы могут передвигаться лишь в одном направлении от 3′- к 5′-концу, и поэтому в процессе репликации одновременный синтез новых цепей идет антипараллельно. Репликация происходит одновременно в нескольких местах молекулы ДНК. Участок между двумя точками, в которых начинается синтез «дочерних» цепей, называется репликоном. Он является единицей репликации.
Кроме перечисленных репликация ДНК имеет ряд принципиальных моментов. Во-первых, ДИК синтезируется из дезоксинуклеозидтрифосфатов, которые одновременно служат источниками энергии для синтеза ДНК. Во-вторых, матрицами для синтеза одновременно являются обе цепи родительской ДНК, то есть процесс симметричный.
В ДНК выделяют следующие участки:
- экзоны, кодирующие последовательность аминокислот в белке;
- интроны, некодирующие области ДНК.
Ген — участок молекулы ДНК, который кодирует образование одной полипептидной цепочки и/или проявление одного признака. Различают структурные гены, в которых закодирована информация для синтеза структурных и ферментных белков, гены с информацией для синтеза транспортной и рибосомальной РНК и др. В сущности, ген — это участок ДНК, кодирующим один белок.
Участок ДНК, в котором зашифрована информация об одной полипептидной цепочке, называется цистроном. Если белок состоит из двух и более разных полилептидных цепочек (субъединиц белков), то ген составлен двумя и более цистронами.
Геном — это совокупность генов, определяющих наследственную информацию об организме.
Интроны могут выполнять разнообразные функции. Некодирующие последовательности нуклеотидов называют спейсерами. Они контролируют укладку нуклеосом в компактные структуры (хроматин), связывают хромосомы в процессе деления с микротрубочками в кинетохорах, связывают на ДНК ферменты, считывающие с нее информацию (ДНК- или РНК-полимераза) или регулирующие процессы транскрипции (синтеза РНК).
Участки связывания регуляторных белков с ДНК у прокариот называют операторами, или оперонами. Процесс считывания информации с ДНК с образованием РНК может быть блокирован за счет белков-репрессоров, которые могут прикрепиться к участку ДНК — оператору, а РНК-полимераза присоединяется к области промотора.
Сигнальный участок перед группой совместно регулируемых генов называется аттеньюатором. Терминирующий участок позади такой группы генов называется терминатором. Если транскрипция завершается на аттеньюаторе, контролируемый участок генома не считывается, а если на терминаторе — геном в этой зоне прочитан.
У эукариот транскрипцию контролируют как белки-репрессоры, гак и белки, активирующие этот процесс. В целом белки-активаторы называются транскрипционными факторами. Это могут быть общие факторы транскрипции, связывающие РНК-полимеразу с промотором, или факторы, контролирующие активность синтеза лишь некоторых генов. Такие белки-активаторы присоединяются к участкам ДНК энхансерам.
В области энхансера ДНК образует петлю, что приближает регулирующие участки к контролируемому экзону. Некоторые ключевые гены контролируются сразу через несколько энхансеров. Белки-репрессоры, как и у прокариот, снижают скорость образования новой РНК с контролируемого участка.
Белки-супрессоры способны подавлять какой-либо клеточный процесс. По функции они могут быть как факторами транскрипции, так и белками-репрессорами.
Транскрипция — процесс синтеза ядерной РНК, транспортной РНK и рибосомальной РНК при помощи РНК-полимеразы с соответствующих участков молекулы ДНК. Транскрипцию контролируют белки-регуляторы, негистоновые и гистоновые белки и некоторые биологически активные вещества, в том числе стероидные и тиреоидные гормоны.
Процесс биосинтеза белка происходит на рибосомах, расположенных в цитоплазме. Следовательно, для передачи генетической информации с ДНК к области синтеза белка требуется посредник. Таким посредником является информационная РНК (иРНК) и РНК — это копия не всей молекулы ДНК, а только ее части: одного гена или группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции.
И транскрипции выделяют несколько стадий:
- связывание РНК-полимеразы с промотором — участком, с которого начинается считывание генетической информации;
- инициация — начало синтеза;
- элонгация — рост цепи РНК, то есть последовательное присоединение нуклеотидов друг к другу в порядке, в котором стоят комплементарные нуклеотиды в транскрибируемой нити ДНК.
Транскрипция происходит одновременно на нескольких генах одной хромосомы и на генах, расположенных на разных хромосомах. В результате транскрипции образуются яРНК, тРНК или рРНК.