Азотистые основания — основа жизни⁠⁠

Люди, которые следят за своим питанием, а также те, кто помнит школьный курс химии или биологии, наверняка знают про такие биологические вещества, как белки, жиры и углеводы. Они во многом обеспечивают функционирование организма. Белки и многие углеводы — это полимеры, то есть такие вещества состоят из множества отдельных похожих элементов: аминокислот и моносахаридов соответственно. Жиры, или в более широком понимании, липиды, – обычно относительно низкомолекулярные вещества, которые, однако, часто могут рассматриваться как соединения глицерина с жирными кислотами.

Но есть ещё один всем известный компонент жизни – ДНК. ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота — и РНК – рибонуклеиновая кислота — состоят из отдельных остатков, именуемых нуклеотидами. Они, в свою очередь, тоже строятся из трёх компонентов: моносахарида дезоксирибозы, остатка фосфорной кислоты и азотистого основания. Они-то нам и интересны.

Судя по названию, они, во-первых, содержат азот, а во-вторых, являются основаниями, то есть с химической точки зрения противоположны кислоте. За последнее свойство ответственен как раз азот, который может образовывать ионы, подобно тому, как из аммиака NH3 образуется аммоний NH4+.

В подавляющем большинстве ДНК и РНК живых организмов содержатся всего лишь пять азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин, а также содержащийся только в ДНК тимин, и только в РНК урацил, отличающиеся наличием в тимине метильной группы. В биохимии их часто обозначают по первым буквам: A, G, C, T и U – соответственно.

Чем же они примечательны? Так уж получилось, что помимо прочего они могут образовывать друг с другом так называемые водородные связи, причём не одну, а сразу 2 или 3, как показано на рисунке выше. Эти связи менее прочные, чем обычные химические, но при этом достаточно прочные, чтобы удерживать молекулы рядом, особенно если таких пар несколько. Причём A спаривается только с T/U, а G – с C. Эти пары называются комплементарными.

Что же это нам даёт? Этот механизм обеспечивает считывание генетической информации. Она обычно записана так называемыми кодонами из трёх оснований, что обеспечивает 4³ = 64 комбинации. При трансляции – переводе генетической информации в белок ДНК (или вирусной РНК) — считываемый кодон нуклеиновой кислоты притягивает к себе подходящую матричную РНК, которая уже содержит приделанный к себе остаток аминокислоты и встраивает его в получаемый белок.

Широко известный образ двойной спирали ДНК на самом деле скорее обеспечивает сохранность информации, чтобы свободные азотистые основания не торчали наружу. Если подумать о принципе комплементарности, то становится понятно, что реальная информация содержится только на одной части спирали, а на второй — лишь её комплементарная копия. Однако помимо защиты это спаривание обеспечивает некоторую устойчивость к повреждениям, а также облегчает копирование ДНК.

Конечно, в организме такие активные и полезные соединения имеют и другие функции. Аденин входит в состав аденозинтрифосфорной кислоты – АТФ, которая является основным переносчиком энергии в клетках. Цитозин – основная цель метилирования ДНК – механизма регуляции генов, лежащего в основе так называемой эпигенетики – изменения организма не за счёт мутаций, то есть прямой замены генов, а за счёт подавления или активации определённых генов. Есть предположения, что тимин защищает ДНК от повреждения ультрафиолетовым излучением. В общем, эти ребята не так просты.

Почему именно они? В нашем материале о происхождении жизни, например, было предположение об отборе в пользу аминокислот, встречающихся в природе. Возможно, что-то подобное было и с азотистыми основаниями: просто их соединения были более устойчивыми в условиях образования жизни и таким образом они закрепились.

Автор Антон Меньшенин, редактор Марлен Тальберг.