Сахара относятся к группе пентоз (см. полисахариды в этом же разделе), основания - к рядам пиримидина и пурина. Упомянутые соединения представлены на схеме. Каждая из нуклеиновых кислот построена из четырех типов нуклеотидов, которые отличаются химической природой основания. ДНК содержит два основания пуринового ряда - аденин и гуанин и два основания пиримидинового ряда - цитозин и тимин. В РНК пуриновые основания те же, пиримидиновые основания несколько отличаются, это цитозин и урацил. Все эти основания присутствуют на приведенных далее схемах, на первой из них изображен фрагмент макромолекулы РНК:

Из этого примера видно, что основная цепь нуклеиновых кислот образуется в результате конденсации гидроксильных групп, связанных с 3'- и 5'-атомами углерода сахара рибозы в РНК (представлено на схеме) и дезоксирибозы в ДНК - с группами ОН фосфорной кислоты. Основание во всех случаях присоединено к 1'-атому сахара. Одна из групп ОН фосфорной кислоты не участвует в реакции поликонденсации. Для дважды этерифицированной фосфорной группы найдено pK = 1,5, следовательно, нуклеиновые кислоты, содержащие несвязанные P-OH-группы, могут быть отнесены к достаточно сильным кислотам.

В 1953 г. Уотсон и Крик установили, что ДНК образует вторичную структуру в виде двойной спирали. Такая спираль образуется при скручивании двух макромолекул ДНК вокруг общей оси и фиксируется водородными связями между основаниями, связанными с разными цепями. Всегда попарно связываются пуриновые и пиримидиновые основания, поскольку только при этом условии сечение двойной спирали остается неизменным по длине. Исходя из принципа достижения максимальной энергии водородных связей, всегда оказываются попарно связанными тимин с аденином и цитозин с гуанином. Из схемы видно, что только в этой комбинации образуется максимальное количество водородных связей из числа возможных, и их энергия близка к максимальной, поскольку три атома, связанные водородной связью, во всех случаях лежат на линии, близкой к прямой:

Нуклеиновые кислоты играют наиболее ответственную роль в процессах жизнедеятельности. С их помощью решаются две важнейшие задачи: хранения и передачи наследственной информации и матричный синтез макромолекул ДНК, РНК и белка. Наследственная информация зашифрована в макромолекулах ДНК в виде последовательности расположения четырех типов нуклеотидов, содержащих четыре разных основания. Такие последовательности называются генами. Они расположены в виде «отдельных островов» вдоль всей цепи ДНК, их суммарная длина составляет 3-5 % от общей длины макромолекулы.

К важнейшим процессам матричного синтеза относятся:

репликация, в ходе которой двойная спираль «расплетается» (сразу во многих местах) и на каждой материнской ДНК синтезируется дочерняя, комплементарная первой, таким образом, из исходной спиралиобразуются две идентичные ей; одна из них переносит в новую клетку, образующуюся при делении материнской, наследственную информацию;

транскрипция или синтез на молекулах ДНК так называемой информационной м-РНК, при котором генетическая информация, заложенная в ДНК, «сбрасывается» на м-РНК и кодируется там в виде последовательности расположения нуклеотидов;

трансляция или синтез белка на молекулах м-РНК, в данном случае используется трехбуквенный код, т.е. последовательность из трех нуклеотидов матричной м-РНК определяет тип очередной аминокислоты из 20 возможных, которая должна присоединиться к растущей полипептидной цепи белка.

Все перечисленные реакции катализируются ферментами - белками, а инициирование многих процессов осуществляется с помощью РНК.

Природные неорганические полимеры. Природные неорганические полимеры составляют основу земной коры, толщина которой достигает 15 км (литосфера). Литосфера образовалась и образуется при выходе на поверхность Земли расплавленной магмы, в которой химические реакции протекают при высокой температуре и давлении. Основной горной породой являются базальты. В табл. 1.3 приведены данные по составу базальтовых горных пород, полученных из проб, взятых со дна океанов Земли и лунных морей. Видно, что состав базальтовых пород Земли и ее спутника весьма близок, он состоит в основном из оксида кремния и в значительно меньшей степени из оксидов железа и алюминия. Оксид кремния является типичным полимерным кристаллическим телом, т.е. трехмерным полимером. Наряду с этим, для него известны двухмерные (подобные графиту) и цепные полимеры (рис. 1.1).

Основной структурной единицей всех полисиликатов является тетраэдр SiO4, в вершинах которого расположены атомы кислорода, в центре - атом кремния. Структура полимерного кристаллического тела с регулярной трехмерной структурой из SiO2 аналогична структуре алмаза - трехмерного полимера углерода. В обоих случаях регулярная трехмерная структура может быть получена при совмещении граней структурных единиц - тетраэдров. Подобный полимер встречается в природе в виде прозрачного минерала кварца, известного также как горный хрусталь. Полимерное тело с регулярной трехмерной структурой под названием корунд образует также одна из модификаций Al2O3. Окрашенные формы (за счет примесей) кварца и корунда встречаются в природе в виде драгоценных камней. К наиболее известным из них относятся аметист, топаз, опал (кварц), рубин, сапфир (корунд).

Таблица 1.3 Содержание различных оксидов в базальтовых породах, мас. %

На рис. 1.1 представлены также фрагменты макромолекул линейных и двухмерно сшитых линейных двухтяжевых полисиликатов. Такие структуры могут быть получены при сочетании тетраэдров SiO2 вершинами, при этом, ионам кислорода должны соответствовать свободные вершины. Слоистые структуры SiO4 образуются при сочетании тетраэдров ребрами, при этом один атом кислорода должен оставаться свободным. Линейные макромолекулы SiO2 входят в состав минералов пироксен, энстатит, диопсид, сподумен, амфиболит, тремолит и др. Последние составляют основу природного волокнистого неорганического материала, известного как асбест. В состав многих минералов входят слоистые полимерные структуры SiO2, например в состав талька и каолинита (белой глины), где они чередуются со слоями полимерных гидроксида магния - в первом случае и гидроксида алюминия - во втором.