- Ключевые структурные отличия и их химические следствия:
- Сахар в скелете: в ДНК — дезоксирибоза, в РНК — рибоза. Наличие гидроксигруппы $2^{\prime }-\mathrm{OH}$ в РНК делает её нуклеофильной: $2^{\prime }-\mathrm{OH}$ атакует соседний фосфатный эфир, образуя $2^{\prime },3^{\prime }$-циклический промежуточный продукт и приводя к саморазрыву цепи (щелочная гидролиз). Из-за этого РНК химически менее стабильна, чем ДНК.
- Азотистые основания: в ДНК уместно используется тимин (5-метил-урацил), в РНК — урацил. Метильная группа в тимине облегчает распознавание продуктов деаминирования — при деаминировании цитозина получается урацил, который в ДНК воспринимается как ошибка и удаляется, тогда как тимин уже «легитимный» базис для хранения информации.
- Двухцепочечность ДНК vs одноцепочечность/сложные третичные структуры РНК: спаривание оснований (В-форма двойной спирали у ДНК) и укладка оснований (stacking) дают высокую термостабильность и устойчивость к химическому повреждению; одноцепочечная РНК более доступна для реагентов и ферментов, но плотное третичное сворачивание и связывание с ионами (особенно ${\mathrm{Mg}}^{2+}$) может её защищать.
- Фосфодиэфирная связь: и в ДНК, и в РНК связь прочна, но уязвима к гидролизу; кислотное депуринирование и щелочная гидролизация — основные пути разрушения. ДНК более устойчива к щелочам из‑за отсутствия $2^{\prime }-\mathrm{OH}$.
- Влияние на хранение генетической информации:
- ДНК предназначена для долговременного хранения: высокая стабильность двойной спирали, репарационные механизмы (например, узнавание урацила и системы репарации) снижают мутации. Поэтому ДНК выдерживает хранение в клетках и в пробах при низких температурах и контролируемых условиях.
- РНК — молекула для кратковременных сообщений и катализа (мРНК, тРНК, рРНК, рибозимы): её высокая реакционная способность позволяет быстрый синтез/распад, но требует строгих условий хранения вне клетки (защита от RNаз, низкая температура, EDTA, RNase-инхибиторы).
- Последствия для методик молекулярной биологии:
- Обращение с РНК требует RNase‑free окружения; часто используют хранение при $-80^{\circ }\mathrm{C}$, EDTA и химические ингиботоры RNase. Для анализа РНК сначала делают кДНК с помощью обратной транскриптазы.
- Различие в стабильности определяет выбор ферментов и условий: ПЦР требует денатурации двойной спирали и стабильности матрицы ДНК; устойчивые температурно ДНК‑полимеразы (например, Taq) используются при циклах температур. melting temperature зависит от состава оснований; приближённая эмпирическая формула:
$$T_m\approx 2^{\circ }\mathrm{C}\times (\#\mathrm{A}+\#\mathrm{T})+4^{\circ }\mathrm{C}\times (\#\mathrm{G}+\#\mathrm{C}).$$ - Химическая реактивность РНК используется целенаправленно: рибозимы и каталитическая РНК, ковалентные модификации $2^{\prime }-\mathrm{O}$-метил и фосфотиоаты применяются для стабилизации терапевтических РНК.
- Репарационные и детекционные механизмы: наличие тимина в ДНК облегчает системы репарации (уридил-DNA гликозилаза удаляет урацил как показатель повреждения), что важно для точности секвенирования и клонирования — допустимые ошибки и обработка повреждённой ДНК учитываются в протоколах.
- Металлы и буферы: ${\mathrm{Mg}}^{2+}$ стабилизирует третичные структуры РНК и одновременно может катализировать разрыв; поэтому в реакциях с РНК концентрация ${\mathrm{Mg}}^{2+}$ тщательно оптимизируется.
Кратко: отсутствие $2^{\prime }-\mathrm{OH}$ и метилирование тимина делают ДНК более химически стабильной и пригодной для долговременного хранения генетической информации; присутствие $2^{\prime }-\mathrm{OH}$, гибкость и каталитические возможности РНК делают её реакционно более активной и временной молекулой, что диктует специальные условия обращения и даёт дополнительные инструменты в молекулярной биологии (обратная транскрипция, рибозимы, химические модификации).