1. НУКЛЕИНОВИ КИСЕЛИНИ

Молекулни основи на наследствеността

Белтъците са най-застъпените органични съединения в живите организми. Всеки организъм се отличава със специфичността на белтъчините, които го изграждат. Многообразието им по отношение на пространствена структура и функциите на белтъците до голяма степен се дължат на друга група органични съединения – нуклеиновите киселини. За да се предават характерните белези за един вид от поколение на поколение е нужно наследствената информация да се предава с изключително голяма прецизност. Първоначално се е предполагало, че материален носител на наследствеността са белтъците, тъй като те са основните градивни елементи на клетките.  Голям принос за изясняване на материалния носител на наследствеността имат изследванията на екипа на Ейвъри Маклеод и Мак Картни в периода 1940 – 1944 година. Тези изследователи за първи път доказват генетичната роля на откритите от Франсис Мишер нуклеинови киселини (nucleus – едро, т.е. съдържащи се в ядрото). За да бъде едно вещество носител на наследствената информация, то трябва да отговаря на следните три условия:

• Молекулният му строеж трябва да позволява изключително прецизно презаписване съхранение на наследствената програма.
• Количеството му в клетките трябва да бъде постоянно.
• Да може да се самовъзпроизвежда и новите копия да се предават по равно в дъщерните клетки.

Единствените вещества които отговарят едновременно на тези три условия в позната ни жива природа са именно нуклеиновите киселини (НК). Те са изключително важни за всички живи организми на планетата Земя (с изключение на прионите), защото те съхраняват и предават генетичната информация. По същество наследствената информация е кодът отговорен за структурата и функциите на белтъчините, синтезиращи се в клетката. Една част от НК носят програмата, по която се синтезират белтъците, т.е. съхраняват генетичната програма и чрез клетъчното деление осигуряват предаването й в поколенията, а друга част взема пряко участие в белтъчния синтез, т.е. осигурява реализирането на информацията. В зависимост от монозахаридният остатък в молекулата им, нуклеиновите киселини се делят на два основни вида – Рибонуклеинова киселина (РНК) и Дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК). Поради по-стабилната си структура при повечето познати организми носител на наследствеността е молекулата на ДНК, а функциите на РНК са свързани с пренасянето на генетичната програма до рибозомите, където се синтезират специфичните за клетката белтъчини. Можем да обобщим, че молекулата на ДНК е носител на наследствената програма, а РНК отговаря за нейното изпълнение. Съществуват и организми (вируси) при които носител на наследствеността е молекулата на РНК, но при тях жизнените процеси са далеч по-примитивни в сравнение с еукариотите и прокариотите. Ваимоотношеният между белтъците и нуклеиновите киселини в клетката са изключително сложни. От една страна нуклеиновите киселини носят наследствената информация за строежа на белтъчините и я пренасят до специфични структури (рибозомите), които отговарят за тяхната синтеза. От друга страна белтъчините отговарят за реализацията на генетичната програма и всички матрични процеси в клетката са под контрола белтъчините. По този начин се получава обща саморегулираща се система съставена от две информационни макромолекули. От една страна нуклеиновите киселини са изключително устойчиви молекули, което гарантира предаването на наследственстта в поколенията, но от друга те притежават пластичност (изменчивост) под влияние на факторите на околната среда, което е основна предпоставка за еволюцията и приспособимостта на организмите към променящите се условия на външната среда.

Структура на нуклеиновите киселини

Веригите на нуклеиновите киселини са дълги, неразклонени, апериодични хетеробиополимери. Дължината им е значително по-голяма от тази на белтъците. Те са изградени от мономери (наречени нуклеотиди), чието подреждане е строго специфично за всеки вид. Всеки нуклеутид е съставен от три компонента:

• Монозахарид – рибоза за РНК и дезоксирибоза за ДНК. В молекулата на нуклеотидите монозахаридният остатък винаги е с 5 въглеродни атома – пентоза и присъства в цикличната си форма.
• Фосфатна група - Фосфатните остатъци придават киселинни свойства на НК. Отрицателните им заряди правят НК реактивоспособни и те лесно се свързват с белтъци, в които преобладават положителни заради, образувайки нуклеопротеиден комплекс. Азотните атоми в състава на базите прибавят макар и слаби основни свойства на НК.
• Азотна база - хетероциклени съединения, които съдържат освен въглеродни и азотни атоми. Те имат плоска пръстенна структура. Според химичния си строеж биват два вида : пуринови и пиримидинови. Пуриновите  имат два пръстена (големи бази), а пиримидиновите – един (малки бази).

Азотната база и пентозата се свързват по между си чрез N-гликозидна ковалентна връзка при първия въглероден атом на пентозата. Получената структура носи името нуклеозид.  Към него могат да се присъединяват от един до три фосфатни остатъка, като се получават съответно нуклеозидмоно-, ди- и трифосфат. Връзката между пентозата и фосфата при 5’ въглеродния атом е ковалентна естерна. Нуклеутидите в молекулата на ДНК са Аденин, Тимин, Гуанин и Цитозин като базите Аденин и Гуанин са пуринови и се обозначават като „големи“,  Тимин и Цитозин са пиримидинови, „малки“ бази. Молекулата на РНК има същите бази като азотната база Тимин е заменена с Урацил.

Нуклеотидите се свързват помежду си в полинуклеотидни вериги (ПНВ). Това става като пентозите на два съседни нуклеотида се свържат по между си чрез фосфатния остатък със здрава ковалентна връзка. Тази връзка се изгражда между хидроксилната група при третия въглероден атом на пентозата на единият нуклеотид и фосфата при петия въглероден атом на другият нуклеотид. Връзката се означава като 3’-5’ фосфодиестерна. При синтезата на нова полинуклеотидна верига образуването на химичните връзки между отделните нуклотиди (по описаният начин) се отделя молекула вода.

Свързаните по този начин един след друг нуклеотиди образуват полинуклеотидна верига (полинуклеотид) и изграждат захарофосфатният скелет на нуклеиновите киселини. Двата края на полинуклеотида се различават по между си, което определя полярността и насочеността на молекулата. За начало (5’) се приема краят в който е локализиран фосфатният остатък, а за край (3’) на полинуклеотида се счита участъкът в който е хидроксилната група. Нуклеотидната последователност се записва в посока от 5’ към 3’ края на веригата, като всеки нуклеотид се записва с по една главна буква – Аденин (А), Гуанин (Г), Тимин (Т), Цитозин (Ц) и Урацил (У). Посоката на прочитане на нуклеотидната последователност е от съществено значение за правилното прочитане на кодираната генетична програма.

Пурини, пиримидини и комплементарността между тях.

Гуанин

Гуанинът е производно на пурин съединение изградено чрез свързването на пиримидинов и имидазолов пръстен. Химичното наименование на Гуанина е 2-амино-6-хидроксипурин, а молекулната му маса е 151,13 g/mol. Молекулната формула на Гуанина е C₅H₅N₅O като поради своята ненаситеност молекулата на този нуклеотид е плоска. При образуването на нуклеотидните двойки в молекулата на ДНК, Гуанинът винаги се свързва с Цитозин посредством три водородни връзки.

Аденин

Аденинът е бяла кристална пуринова база с молекулна формула C₅H₃N₄NH_2. Освен при образуването на нуклеиновите киселини характерно за него е участиено му в структурата на аденозинтрифосфата, където спомага за функциите на клетъчното дишане. В молекулата на ДНК Аденинът се свързва с нуклеотидът Тимин, а в молекулата на РНК с нуклеотидът Урацил. Водородните връзки които се изграждат между описаните бази са двойни.

Тимин

Тиминът спада към пиримидиновите азотни бази и е познат под името 5-метилурацил. От химична гледна точка тиминът е производно съединение на петият въглероден атом на урацила след метилация. Във веригите на ДНК Тиминът комплементира с Аденин като изградените водородни връзки са двойни. В молекулата на РНК този нуклеотид е заменен с нуклеотида Урацил.

Цитозин

Цитозинът е хетероциклено ароматно съединение производно на пиримидина. Химичната му формула е C₄H₅N₃O, а молекулната му маса - 111.10 g/mol. Освен Цитозин нуклеотидът може да бъде срещнат и под името 4-амино-1H-пиримидин-2-он. В молекулите на ДНК и РНК Цитозинът комплементира с нуклеотида Гуанин като водородните връзки, които се изграждат са тройни.

Урацил

Урацилът е производно на пиримидина химично съединение, което замества нуклеотида Тимин в молекулата на РНК. Химичната му формула е C₄H₄N₂O₂^, а молекулната му маса - 112,09 g/mol. Освен Урацил нуклеотидът може да бъде срещнат и под името Пиримидин-2,4(1H,3H)-дион. В молекулата на РНК Урацилът се комплементира с нуклеотида Аденин като водородните връзки, които се изграждат са двойни.

Нуклеиновите киселини са най-важните органични съединения в клетката, защото именно те са носители и преносители на наследствената информация. Те биват два вида в зависимост от захарният остатък който притежават – Дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК) съдържаща дезоксирибоза (C₅O₄H₁₀) и Рибонуклеинова киселина (РНК) съдържаща рибоза (C₅O₅H₁₀). Освен захарид те притежават азотни бази и фосфорна киселина. При повечето живи организми наследствената информация се съхранява в молекули ДНК, а РНК молекулите пренасят тази информация до рибозомите, които от своя страна произвеждат специфичните белтъчини за всяка отделна клетка. Изключение от това правило правят някои вируси при които наследствената информация се съхранява в РНК молекули и прионите, които са все още не добре проучени, но се предполага, че тяхната наследственост се кодира в белтъчни молекули.

След изясняване механизма на клетъчно делене и доказването, че основен компонент на хромозомите са веригите на ДНК се установи, че основен материален носител на наследствеността е двойноверижната ДНК молекула.

Въпроси за самоподготовка!

Нуклеутидите са изградени от:

1. Аминокиселина, АТФ и Азотиста киселина
2. Въглерод, Цинк и Вода
3. Монозахарид, Азотна база и Фосфорна киселина
4. Полизахарид, Солна киселина и Ензими

Нуклеутидите се свързват в полинуклеутидни вериги посредством:

1. Ковалентна връзка
2. Пептидна връзка
3. Фосфодиестерна връзка
4. Нековалентна връзка

За начало (5‘) на една ППВ се счита краят в който е локализиран:

1. Хидроксилен остатък
2. Фосфатен остатък
3. Водороден остатък
4. Въглероден остатък