Нуклеиновые кислоты являются длинными цепями нуклеотидов, соединенных фосфодитерными связями. Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, и рибонуклеиновая кислота, или РНК. Нуклеотиды как в ДНК, так и в РНК состоят из сахара, азотной основы и фосфатной молекулы.
Наследственный материал клетки состоит из нуклеиновых кислот, которые позволяют живым организмам передавать генетическую информацию из поколения в поколение. Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). ДНК и РНК очень незначительно отличаются по своему химическому составу, но играют совершенно разные биологические роли.
Химически нуклеиновые кислоты являются полинуклеотидами – цепями нуклеотидов. Нуклеотид состоит из трех компонентов: пентозного сахара, азотной базы и фосфатной группы. Сахар и основание вместе образуют нуклеозид. Таким образом, нуклеотид иногда называют нуклеозидным монофосфатом. Каждый из трех компонентов нуклеотида играет ключевую роль в общей сборке нуклеиновых кислот.
Как следует из названия, пентозный сахар имеет пять атомов углерода, которые помечены 1o,2o,3o,4oи 5o. Пентозный сахар в РНК – рибоза, что означает, что 2o углерод несет группу гидроксила. Сахар в ДНК – дезоксирибоза, то есть 2o углерода прилагается к атому водорода. Сахар прикрепляется к азотной основе на 1o углероде и молекуле фосфата при 5o углероде.
Молекула фосфата, прикрепленная к углероду 5o одного нуклеотида, может образовывать ковалентную связь с3-о гидроксиловой группой другого нуклеотида, связывая два нуклеотида вместе. Эта ковалентная связь называется фосфодитерной связью. Фосфатная связь между нуклеотидами создает чередующиеся сахар и фосфатный хребет в цепочке полинуклеотидов. Связывание5-о конца одного нуклеотида с 3o концом другого придает направленность цепочке полинуклеотидов, которая играет ключевую роль в репликации ДНК и синтезе РНК. На одном конце цепочки полинуклеотида, а именно 3o конце, сахар имеет свободный 3o гидроксильную группу. На другом конце, 5o конце, сахар имеет свободную 5o фосфатную группу.
Основания азота являются молекулами, содержащими одно или два кольца, состоящих из атомов углерода и азота. Эти молекулы называются “основания”, потому что они являются химически основными, и могут связываться с ионами водорода. Существует два класса азотных оснований: пиримидины и пурины. Пиримидины имеют кольцевую структуру с шестью членами, в то время как пурины состоят из кольцевой структуры с шестью членами, присоединённой кольцевой структуре с пятью членами. Пиримидины включают цитозин (C), тимин (T) и uracil (U). Пурины включают аденин (A) и гуанин (G).
Цитозин, аденин и гуанин присутствуют как в ДНК, так и в РНК. Тем не менее, тимин специфичен для ДНК, и урацил находится только в РНК. Пурины и пиримидины могут образовывать водородные связи друг с другом по определенной схеме, основываясь на наличии дополнительных химических групп, которые аналогичны кусочкам головоломки. В нормальных клеточных условиях аденин образует водородные связи с тимином (в ДНК) или урацилом (в РНК), в то время как гуанин образует водородные связи с цитозином. Это дополнительное базовое спаривание имеет решающее значение для структуры и функции ДНК.
ДНК принимает двойную гелиалогическую структуру внутри клетки. Двойная спираль состоит из двух полинуклеотидных цепей, которые вьются вокруг по спирали. Две цепи находятся в противоположных ориентациях, или являются “антипараллельными” друг к другу, то есть 5o конец одной нити близок к 3o концу другой. Две нити дополнительно связаны друг с другом (например, через цитозин с гуанином).
В двойной спирали ДНК, сахаро-фосфатный “позвоночник” присутствует на внешней стороне, в то время как водородные основы находятся на внутренней стороне. РНК в своей основе – одноцепочечная молекула. Единая нить РНК может образовывать локализованные вторичные структуры через внутренние дополнительные базовые соединения. Различные типы РНК вторичных структур имеют различные функции внутри клетки.
