Властивості нуклеїнових кислот

Нуклеїнові кислоти – це речовини білого кольору, волокнистої будови, погано розчинні у воді. їх солі (лужних металів) добре розчинні у воді. Нуклеїнові кислоти розчиняються також у розчинах солей: РНК – у розбавлених, а ДНК – у більш концентрованих.

Оскільки молекули нуклеїнових кислот асиметричні, то їх розчини мають високу в'язкість. В'язкість розчинів нуклеїнових кислот використовується для характеристики дволанцюгових ДНК, зокрема їх молекулярної маси. Так, відносна в'язкість 0,01%-го розчину ДНК з молекулярною масою (5 – 10) • 10⁶ близька до 1,5. Таку ж приблизно в'язкість мають розчини ДНК, в яких концентрація нуклеїнової кислоти в п'ять разів більша, а молекулярна маса значно менша – 0,3 • 10⁶. Руйнування водневих зв'язків у ДНК і розкладання її на два полінуклеотидні ланцюги приводить до зниження в'язкості розчинів.

Для нуклеїнових кислот характерна також висока оптична активність. Їх розчини здатні обертати площину поляризації світла вправо на певний кут (позначається знаком плюс). Він помітно зменшується по мірі зменшення ступеня впорядкованості полінуклеотидних ланцюгів. Так, питома активність розчинів біспіральної ДНК дорівнює 150°. Для розчинів мономерних нуклеотидів, одноланцюгових РНК і ДНК при тій же довжині хвилі питома активність у 4 – 6 разів менша. Отже, даний показник є важливим критерієм наявності в нуклеїнових кислотах спіральних і дволанцюгових ділянок.

Усі нуклеїнові кислоти мають здатність поглинати світло в ультрафіолетовій області з максимумом 260 нм. Порушення нативності нуклеїнових кислот супроводжується підвищеним поглинанням світла, тобто має місце так званий гіпохромний ефект. Він залежить від, вмісту в складі нуклеїнових кислот азотистих пар – А–Т. Гіпохромний ефект найбільш характерний для дволанцюгових нуклеїнових кислот, зокрема ДНК. Наявність гіпохромності є однією з важливих ознак утворення дволанцюгових, спіралізованих ділянок у нуклеїнових кислотах. Одноланцюгові нуклеїнові кислоти, в яких спіралізація нуклеотидних ланцюгів незначна, мають гіпохромний ефект дуже малої величини. В зв'язку з цим гіпохромний ефект використовується при вивченні процесів денатурації і ренатурації нуклеїнових кислот, утворенні гібридних спіралей ДНК – РНК тощо.

Денатурація і ренатурація нуклеїнових кислот. Нуклеїнові кислоти мають здатність до денатурації. Даний процес полягає в розриві водневих і вандерваальсових зв'язків, в деспіралізації та розходженні полінуклеотидних ланцюгів ДНК і двоспіральних ділянок молекул РНК. Денатурацію нуклеїнових кислот можуть викликати кислоти, луги, спирти тощо. Внаслідок денатурації кожний із полінуклеотидних ланцюгів молекули нуклеїнової кислоти набуває форми клубка, скрученого безладно. Тому даний процес ще називають переходом спіраль – клубок.

Денатурація нуклеїнових кислот супроводжується зміною цілого ряду їх фізичних властивостей. Так, підвищується поглинання світла в області 260 нм, зменшуються в'язкість розчинів і кут обертання площини поляризації.

Під час денатурації нуклеїнових кислот наступає такий момент, коли кількість спіралізованих ділянок дорівнює кількості неспіралізованих.

Температуру, при якій настає така рівновага, називають температурою плавлення. Температура плавлення нуклеїнових кислот підвищується із збільшенням довжини молекули полінуклеотиду, а також із підвищенням вмісту (%) в ньому пар азотистих основ Г–Ц. Вважають, що пари азотистих основ у молекулах ДНК утворюють термостабільні ланки або ядра, і підвищують їх стійкість проти денатурації, і, навпаки, молекули ДНК, які містять більшу кількість пар азотистих основ (А–Т), легше піддаються денатурації.

Для вивчення біологічної ролі і функції ДНК в організмі важливе значення має вияснення причин і умов, за яких може відбуватися відновлення нативної двоспіральної структури ДНК. У результаті, досліджень було встановлено, що при підвищенні температури приблизно на 5°С вище температури плавлення ланцюги денатурованої ДНК розходяться. Якщо розчин таких ДНК різко охолодити, то полінуклеотидні ланцюги так і залишаються розділеними, а якщо охолодження такого розчину проводити поступово, то внаслідок рекомбінації відбувається ренатурація (відновлення) подвійної спіралі ДНК (рис. 8).

Процес ренатурації молекул ДНК залежить від їх розмірів, кількості азотистих пар Г–Ц та інших факторів. Так, ДНК вірусів і бактерій, яка за своєю будовою більш проста, ніж ДНК вищих організмів, піддається ренатурації значно легше. Позитивно впливає на процес ренатурації також підвищення кількості пар Г–Ц. При ренатурації ДНК відновлюються її біологічні та фізико-хімічні властивості.

Гібридизація ДНК. Встановлено, що полінуклеотидні ланцюги денатурованих ДНК можуть взаємодіяти на основі принципу комплементарності з одноланцюговими РНК або ДНК, які належать іншим організмам. Такий вид ренатурації називається молекулярною гібридизацією. Вважають, що для утворення гібридної молекули ДНК достатньо, щоб у полінуклеотидних ланцюгах містилось близько 12 комплементарних пар азотистих основ. Чим більше буде комплементарних пар, тим вищим буде вміст (%) біспіральних ділянок у гібридній молекулі ДНК.

Відкриття процесу гібридизації ДНК має важливе значення для вивчення первинної структури різних видів нуклеїнових кислот, а також для наукових досліджень у галузі генної інженерії.

Хімічні реакції нуклеїнових кислот. Мутагени. У зв'язку з наявністю в азотистих основах і пентозах нуклеїнових кислот різних функціональних груп вони можуть вступати в різні хімічні реакції. Це призводить до видозміни основ, що впливає на структуру і функції нуклеїнових кислот. Так, наприклад, аміногрупи азотистих основ можуть взаємодіяти з азотистою кислотою. При цьому замість групи –NН₂ утворюється група –ОН: –N=C–ОН. Далі енольна форма переходить в кетоформу: –NH–СО–. Отже, азотиста кислота при взаємодії з нуклеїновими кислотами перетворює цитозин на урацил, а аденін і гуанін відповідно на гіпоксантин і ксантин, тому вона є ефективним хімічним мутагеном.

Рис. 8. Денатурація і ренатурація ДНК

Аналогічну мутагенну дію має гідроксиламін, який вступає в реакцію з карбонільними групами азотистих основ, зокрема з піримідиновими, що приводить до перетворення одного виду основ в інші. Крім того, високу мутагенну дію мають алкілуючі агенти, наприклад нітрозамін.

Ці сполуки мають високу канцерогенну дію. Нітрозаміни можуть утворюватися при взаємодії будь-якого вторинного аміну з азотистою кислотою.

Така реакція може відбуватися і в шлунку людини, де нітрозаміни легко всмоктуються і можуть викликати злоякісні пухлини в різних органах і тканинах організму.

Значний інтерес становить взаємодія нуклеїнових кислот з окремими поліциклічними ароматичними (основними) барвниками, зокрема з акридиновим оранжевим, профлавіном і т.д. Вибірково зв'язуючись з ДНК або РНК, вони дають можливість легко їх виявляти. В останній час ці барвники набули важливого значення як мутагени, які мають селективну дію. Вони здатні викликати вставки, або делеції (включення або випадання окремих одиночних нуклеотидів), при реплікації ДНК, отже пригнічувати її.

Нуклеїнові кислоти під дією кислот піддаються гідролізу. Глікозидні зв'язки в ДНК більш лабільні, ніж у РНК. Нуклеотиди, які містять пуринові основи, піддаються гідролізу легше, ніж нуклеотиди з піримідиновими основами. Отже, ковалентна структура молекул нуклеїнових кислот досить стійка, що дає можливість їм виконувати функцію генетичного матеріалу.

Репарація пошкоджень ДНК. Пошкодження ДНК, які зумовлені дією різних хімічних і фізичних факторів, можуть бути репаровані (виправлені) за участю спеціальних механізмів („ремонтних систем”). Наприклад, при дії ультрафіолетового випромінювання на ДНК утворюються тимінові димери внаслідок взаємодії між собою в одному ланцюзі ДНК сусідніх тимінових залишків з утворенням циклобутанового кільця:

Утворення тимінових димерів порушує структуру ДНК і тим самим блокує її реплікацію. Цим, очевидно і пояснюється летальна та мутагенна дії ультрафіолетового випромінювання на живі організми.

Для виправлення пошкоджень ДНК у живих системах існує декілька механізмів, зокрема фотореактивація, ексцизійна і постреплікативна репарації. Фотореактивація відбувається внаслідок дії світла. При цьому відбувається активація фотореактивного ферменту (ДНК-фотолази), який розщеплює димери на мономери і відновлює водневі зв'язки між тиміном і аденіном комплементарних полінуклеотидних ланцюгів ДНК. Ексцизійна і постреплікативна репарації не залежать від наявності світла і тому їх ще називають темповою репарацією. Ці два види репарації дещо між собою подібні.

При ексцизійній репарації (від лат. excisio – вирізання) видаляються пошкоджені ділянки ДНК за участю цілого комплексу ферментних систем (рис. 9).

Рис. 9. Схема ферментативної репарації ДНК

Так, спочатку діє фермент ендонуклеаза, яка ніби розрізає полінуклеотидний ланцюг ДНК, на якому є пошкодження нуклеотидів. Потім починає діяти фермент екзонуклеаза, яка видаляє пошкоджену частину нуклеотидного ланцюга. На цьому місці за участю ферменту ДНК-полімерази в напрямі 5'®3' заново синтезується частина комплементарного полінуклеотндного ланцюга з непошкодженими нуклеотидами. Далі вільні кінці старої частини полінуклеотидного ланцюга, за участю ферменту лігази, з'єднуються з кінцями заново синтезованої частини полінуклеотидного ланцюга.

Отже, клітини організмів містять цілі набори ферментів, які переміщаються по подвійних спіралях ДНК, відновлюють їх пошкодження і цим самим сприяють зменшенню появи частоти мутацій.