В ядре содержится много белков.
Они представлены двумя группами — простыми белками и дезоксирибонуклеопротеидами, состоящими из равного количества дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и белков. В небольшом количестве в состав клеточного ядра входит и рибонуклеиновая кислота (РНК).
Нуклеиновые кислоты впервые были обнаружены швейцарским биохимиком Ф. Мишером в 1869 г. в ядрах животных клеток, откуда они и получили свое название (от лат. нуклеус — ядро). Биологическое значение и роль нуклеиновых кислот в явлениях наследственности и жизнедеятельности всех организмов, были установлены лишь в последние 20—25 лет, когда удалось выяснить их сложную биохимическую природу.
Обе нуклеиновые кислоты — биологические полимеры, то есть вещества, сложные молекулы которых состоят из более простых молекул — мономеров. Эти кислоты различаются между собой по химическому составу, местонахождению в клетке и той биологической роли, какую они в ней выполняют. ДНК находится главным образом в клеточном ядре, РНК входит в состав всех частей клетки, но наибольшее ее количество обнаруживается в цитоплазме. В целом же клетка со всеми ее органоидами как бы насыщена нуклеиновыми кислотами, что указывает на их важнейшее биологическое значение.
В химическом составе молекул ДНК и РНК обнаружены как сходства, так и различия. При полном распаде молекул ДНК образуются азотистые основания, пентозный сахар — дезоксирибоза и фосфорная кислота. Азотистые основания представлены четырьмя соединениями: аденин и гуанин — производные пурина, цитозин и тимин — производные пиримидина. При распаде молекулы РНК выделяются те же три типа соединений: азотистые основания, сахар и фосфорная кислота, только вместо тимина появляется урацил, а вместо сахара дезоксирибозы — рибоза.
Нуклеиновые кислоты состоят из более простых молекул — нуклеотидов, каждый из которых, в свою очередь, включает три компонента: молекулу сахара, молекулу азотистого основания и молекулу фосфорной кислоты. Молекула РНК состоит из рибонуклеотидов, а молекула ДНК — из дезоксирибонуклеотидов. Нуклеотиды именуются по входящим в них азотистым основаниям и сокращенно обозначаются соответствующими начальными буквами этих оснований.
Нуклеиновые кислоты — это высокомолекулярные соединения, так как в их состав входит очень большое число нуклеотидов. Так, ДНК включает 10—25 тыс. отдельных нуклеотидов (молекулярная масса ее 4—8 млн. и выше), а РНК — 4—6 тыс. нуклеотидов (молекулярная масса ее 1,5—2 млн.).
Процесс связывания отдельных нуклеотидов в молекулы нуклеиновых кислот называется полимеризацией. Нуклеотиды в молекулах ДНК и РНК соединяются между собой через фосфорную кислоту и образуют длинные цепочки. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепочек, а РНК — из одной.
Химический анализ показал, что в ДНК любых организмов количество аденина всегда точно соответствует количеству тимина, а количество гуанина — количеству цитозина, то есть отношения А : Т и Г : Ц равны 1. Вместе с тем установлено, что молекулы ДНК различных растений и животных могут очень сильно различаться между собой по количеству входящих в них нуклеотидов и порядку их чередования, что и обусловливает различия в биологических свойствах ДНК.
Строение молекулы ДНК долгое время оставалось неясным. В 1953 г. английский ученый Уотсон и американский ученый Крик на основании рентгеноструктурного анализа и математических расчетов предложили свою модель макромолекулярной структуры ДНК. Согласно модели Уотсона — Крика, молекула ДНК состоит из двух спиральных цепочек, закрученных правильными витками вокруг одной общей для них оси. Каждая из двух цепочек представляет собой полинуклеотид. Между собой такие полинуклеотидные цепочки связаны азотистыми основаниями. При этом пуриновые основания, состоящие из двух колец, соединяются слабыми водородными связями с пиримидиновыми основаниями, состоящими из одного кольца, таким образом, что аденин всегда
связан с тимином (А + Т), а гуанин — с цитозином (Г + Ц). Следовательно, эти пары азотистых оснований дополняют одна другую, поэтому и обе цепочки молекул ДНК также дополняют одна другую. Схематически молекула ДНК может быть изображена в виде винтовой лестницы, ступени которой — это пары азотистых оснований, а боковые стороны — молекулы дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Расстояние между нуклеотидами составляет 0,00034 мкм, а диаметр двойной спирали равен 0,002 мкм. Один полный оборот спирали состоит из 10 нуклеотидов (0,0034 мкм). При помощи модели Уотсона — Крика удалось объяснить многие важные биологические свойства ДНК. Эта схема в настоящее время общепризнана.
Одно из важнейших свойств ДНК — способность ее к самоудвоению (репликации). В связи с тем что цепочки молекулы ДНК дополняют одна другую и расположение нуклеотидов на одной из них точно определяет структуру другой, удалось объяснить механизм самоудвоения. В общих чертах он сводится к следующему. Двойная спираль молекулы ДНК начинает раскручиваться, водородные связи между парами оснований рвутся, и цепочки разъединяются. Каждая из них присоединяет имеющиеся в растворе свободные нуклеотиды и вновь строит дополнительную цепочку, подобную той, с которой она была соединена раньше. Так, из одной молекулы ДНК образуются две совершенно одинаковые молекулы. Свойство самоудвоения, или самокопирования, характерно только для молекул ДНК, молекулы никаких других химических веществ им не обладают.
Очень важным открытием молекулярной биологии было установление того факта, что на одной из цепочек молекулы ДНК во время ее раздвоения строятся нуклеотиды, свойственные молекуле РНК. При этом нуклеотиды ДНК дополнительно соединяются не с тимидиловой кислотой, как это бывает при самокопировании ДНК, а с урадиловой. Так, вместо дополнительной цепочки ДНК строится одна цепочка молекулы РНК. Она получила название информационной, или матричной,
РНК (и-РНК). Образуясь на одной из цепочек молекулы ДНК, как на матрице, она через поры ядерной мембраны поступает в цитоплазму. Информационная РНК несет информацию о порядке расположения нуклеотидов ДНК, которым определяется последовательность связывания аминокислот в белковых молекулах, образующихся на рибосомах цитоплазмы.
Таким образом, ДНК, входя в состав ядра клетки, благодаря свойству самоудвоения молекул сохраняет свое количественное постоянство при делении клеток, определяет структуру и регулирует синтез образующихся в клетке белков.
В форме ДНК организм и сохраняет свою наследственную информацию. Этим определяется то выдающееся значение, которое придается ДНК в жизнедеятельности организмов. Вместе с белками ДНК входит в состав хромосом — важнейших компонентов ядра, с которыми связана наследственность организмов. В 1958 г. американский генетик А. Корнберг в лабораторных условиях искусственно синтезировал ДНК.