Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Нуклеиновые кислоты РНК (слева) и ДНК (справа).

Нуклеиновые кислоты - это биополимеры или большие биомолекулы , необходимые для всех известных форм жизни . Термин нуклеиновая кислота - это общее название ДНК и РНК. Они состоят из нуклеотидов , которые представляют собой мономеры, состоящие из трех компонентов: 5-углеродного сахара , фосфатной группы и азотистого основания . Если сахар представляет собой составную рибозу , полимер представляет собой РНК (рибонуклеиновая кислота); если сахар получен из рибозы в виде дезоксирибозы , полимером является ДНК(дезоксирибонуклеиновая кислота). Нуклеиновые кислоты - это химические соединения природного происхождения, которые служат в клетках в качестве основных молекул, несущих информацию. Они играют особенно важную роль в управлении синтезом белка. Двумя основными классами нуклеиновых кислот являются дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Нуклеиновые кислоты в изобилии обнаружены во всех живых существах, где они создают, кодируют и затем хранят информацию о каждой живой клетке каждой формы жизни на Земле. В свою очередь, они функционируют для передачи и выражения этой информации внутри и вне ядра клетки - для внутренних операций клетки и, в конечном итоге, для следующего поколения каждого живого организма. Закодированная информация содержится и передается через последовательность нуклеиновой кислоты., который обеспечивает «ступенчатое» упорядочение нуклеотидов в молекулах РНК и ДНК.

Цепочки нуклеотидов связаны с образованием спиральных остовов - обычно одна для РНК, две для ДНК - и собраны в цепочки пар оснований, выбранных из пяти первичных или канонических нуклеотидных оснований , а именно: аденин, цитозин, гуанин, тимин, и урацил. Тимин присутствует только в ДНК, а урацил - только в РНК. Используя аминокислоты и процесс, известный как синтез белка , [1] специфическое секвенирование в ДНК этих пар азотистых оснований позволяет хранить и передавать закодированные инструкции в виде генов . В РНК секвенирование пар оснований обеспечивает производство новых белков, которые определяют структуры, части и большинство химических процессов всех форм жизни.

История [ править ]

Швейцарский ученый Мишер обнаружил нуклеиновые кислоты ( ДНК ) в 1868 году [примечаниях 1] Позже он выдвинул идею , что они могут быть вовлечены в наследственности . [2]
  • Нуклеин был открыт Фридрихом Мишером в 1869 году в Тюбингенском университете , Германия. [3]
  • В начале 1880-х годов Альбрехт Коссель дополнительно очистил это вещество и обнаружил его очень кислотные свойства. Позже он также идентифицировал азотистые основания.
  • В 1889 году Ричард Альтманн создает термин нуклеиновая кислота.
  • В 1938 году Эстбери и Белл опубликовали первую картину дифракции рентгеновских лучей ДНК. [4]
  • В 1953 году Уотсон и Крик представили структуру ДНК . [5]

Экспериментальные исследования нуклеиновых кислот составляют основную часть современных биологических и медицинских исследований и составляют основу генома и судебной медицины , а также биотехнологии и фармацевтической промышленности . [6] [7] [8]

Возникновение и номенклатура [ править ]

Термин нуклеиновой кислоты является общее название для ДНК и РНК, членов семейства биополимеров , [9] и является синонимом полинуклеотида . Нуклеиновые кислоты были названы в честь их первоначального открытия в ядре и наличия фосфатных групп (связанных с фосфорной кислотой). [10] Несмотря на то, впервые обнаружен в ядре из эукариотических клеток, нуклеиновые кислоты, как известно, можно найти во всех форм жизни в том числе в пределах бактерий , архебактерий , митохондрий , хлоропластов и вирусов (Существует спор о том ,являются ли вирусы живыми или неживыми ). Все живые клетки содержат как ДНК, так и РНК (за исключением некоторых клеток, таких как зрелые эритроциты), в то время как вирусы содержат либо ДНК, либо РНК, но обычно не то и другое одновременно. [11] Основным компонентом биологических нуклеиновых кислот является нуклеотид , каждый из которых содержит пентозный сахар ( рибозу или дезоксирибозу ), фосфатную группу и азотистое основание . [12] Нуклеиновые кислоты также генерируются в лаборатории с помощью ферментов [13] (ДНК и РНК-полимеразы) и путем твердофазного химического синтеза.. Химические методы также позволяют получать измененные нуклеиновые кислоты, которые не встречаются в природе [14], например, пептидные нуклеиновые кислоты .

Молекулярный состав и размер [ править ]

Нуклеиновые кислоты обычно представляют собой очень большие молекулы. Действительно, молекулы ДНК, вероятно, являются самыми крупными из известных молекул. Размер хорошо изученных биологических молекул нуклеиновых кислот варьируется от 21 нуклеотида ( малая интерферирующая РНК ) до больших хромосом ( хромосома 1 человека - это отдельная молекула, содержащая 247 миллионов пар оснований [15] ).

В большинстве случаев встречающиеся в природе молекулы ДНК являются двухцепочечными, а молекулы РНК - одноцепочечными. [16] Однако есть множество исключений - некоторые вирусы имеют геномы, состоящие из двухцепочечной РНК, а другие вирусы имеют геномы одноцепочечной ДНК , [17] и, в некоторых случаях, могут образовываться структуры нуклеиновых кислот с тремя или четырьмя цепями. [18]

Нуклеиновые кислоты - это линейные полимеры (цепи) нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов: пуринового или пиримидинового азотистого основания (иногда называемого азотистым основанием или просто основанием ), пентозного сахара и фосфатной группы, которая делает молекулу кислой. Субструктура, состоящая из азотистого основания плюс сахар, называется нуклеозидом . Типы нуклеиновых кислот различаются по структуре сахара в их нуклеотидах - ДНК содержит 2'- дезоксирибозу, а РНК содержит рибозу (единственное различие заключается в наличии гидроксильной группы). Кроме того, нуклеиновые основания, обнаруженные в двух типах нуклеиновых кислот, различаются: аденин , цитозин и гуанин находятся как в РНК, так и в ДНК, тимин содержится в ДНК, а урацил - в РНК.

Сахара и фосфаты в нуклеиновых кислотах связаны друг с другом в чередующейся цепи (сахарно-фосфатный остов) через фосфодиэфирные связи. [19] В традиционной номенклатуре атомы углерода, к которым присоединяются фосфатные группы, представляют собой 3'-концевые и 5'-концевые атомы углерода сахара. Это придает нуклеиновым кислотам направленность , и концы молекул нуклеиновых кислот обозначаются как 5'-конец и 3'-конец. Азотистые основания присоединены к сахарам посредством N-гликозидной связи, включающей азот в кольце азотистых оснований (N-1 для пиримидинов и N-9 для пуринов) и 1'-атом углерода кольца пентозного сахара.

Нестандартные нуклеозиды также обнаруживаются как в РНК, так и в ДНК и обычно возникают в результате модификации стандартных нуклеозидов в молекуле ДНК или первичного (исходного) транскрипта РНК. Молекулы транспортной РНК (тРНК) содержат особенно большое количество модифицированных нуклеозидов. [20]

Топология [ править ]

Двухцепочечные нуклеиновые кислоты состоят из комплементарных последовательностей, в которых обширное спаривание оснований Уотсона-Крика приводит к многократно повторяющейся и довольно однородной двухспиральной трехмерной структуре нуклеиновой кислоты . [21] Напротив, одноцепочечные молекулы РНК и ДНК не ограничены регулярной двойной спиралью и могут принимать очень сложные трехмерные структуры , основанные на коротких участках внутримолекулярных парных последовательностей, включая как Уотсона-Крика, так и неканонические пары оснований и широкий спектр сложных третичных взаимодействий. [22]

Молекулы нуклеиновой кислоты обычно неразветвленные и могут иметь форму линейных и кольцевых молекул. Например, бактериальные хромосомы, плазмиды , митохондриальная ДНК и хлоропластная ДНК обычно представляют собой кольцевые двухцепочечные молекулы ДНК, тогда как хромосомы эукариотического ядра обычно представляют собой линейные двухцепочечные молекулы ДНК. [11] Большинство молекул РНК представляют собой линейные одноцепочечные молекулы, но как кольцевые, так и разветвленные молекулы могут быть результатом реакций сплайсинга РНК . [23] Общее количество пиримидинов равно общему количеству пуринов. Диаметр спирали около 20 Å.

Последовательности [ править ]

Одна молекула ДНК или РНК отличается от другой прежде всего последовательностью нуклеотидов . Нуклеотидные последовательности имеют большое значение в биологии, поскольку они несут в себе окончательные инструкции, которые кодируют все биологические молекулы, молекулярные сборки, субклеточные и клеточные структуры, органы и организмы и напрямую обеспечивают познание, память и поведение ( см. Генетика ). Огромные усилия были вложены в разработку экспериментальных методов определения нуклеотидной последовательности биологических молекул ДНК и РНК [24] [25], и сегодня секвенируются сотни миллионов нуклеотидов.ежедневно в центрах генома и небольших лабораториях по всему миру. В дополнение к ведению базы данных последовательностей нуклеиновых кислот GenBank Национальный центр биотехнологической информации (NCBI, https://www.ncbi.nlm.nih.gov ) предоставляет ресурсы для анализа и поиска данных в GenBank и других биологических данных. через веб-сайт NCBI. [26]

Типы [ править ]

Дезоксирибонуклеиновая кислота [ править ]

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) - это нуклеиновая кислота, содержащая генетические инструкции, используемые для развития и функционирования всех известных живых организмов. Сегменты ДНК, несущие эту генетическую информацию, называются генами. Точно так же другие последовательности ДНК имеют структурные цели или участвуют в регулировании использования этой генетической информации. Наряду с РНК и белками ДНК является одной из трех основных макромолекул, необходимых для всех известных форм жизни. ДНК состоит из двух длинных полимеров простых звеньев, называемых нуклеотидами, с остовами, состоящими из сахаров и фосфатных групп, соединенных сложноэфирными связями. Эти две нити проходят в противоположных направлениях друг к другу и, следовательно, антипараллельны. К каждому сахару присоединен один из четырех типов молекул, называемых азотистыми основаниями (неформально, основаниями).Именно последовательность этих четырех азотистых оснований вдоль остова кодирует информацию. Эта информация считывается с помощью генетического кода, который определяет последовательность аминокислот в белках. Код считывается путем копирования участков ДНК в соответствующую РНК нуклеиновой кислоты в процессе, называемом транскрипцией. Внутри клеток ДНК организована в длинные структуры, называемые хромосомами. Во время деления клетки эти хромосомы дублируются в процессе репликации ДНК, обеспечивая каждой клетке свой полный набор хромосом. Эукариотические организмы (животные, растения, грибы и простейшие) хранят большую часть своей ДНК внутри ядра клетки, а часть своей ДНК - в органеллах, таких как митохондрии или хлоропласты. Напротив, прокариоты (бактерии и археи) хранят свою ДНК только в цитоплазме. В хромосомахбелки хроматина, такие как гистоны, уплотняют и организуют ДНК. Эти компактные структуры направляют взаимодействия между ДНК и другими белками, помогая контролировать, какие части ДНК транскрибируются.

Рибонуклеиновая кислота [ править ]

Рибонуклеиновая кислота (РНК) выполняет функцию преобразования генетической информации из генов в аминокислотные последовательности белков. Три универсальных типа РНК включают транспортную РНК (тРНК), информационную РНК (мРНК) и рибосомную РНК (рРНК). РНК-мессенджер передает информацию о генетической последовательности между ДНК и рибосомами, направляя синтез белка. Рибосомная РНК является основным компонентом рибосомы и катализирует образование пептидной связи. РНК -переносчик служит молекулой-носителем для аминокислот, используемых в синтезе белка, и отвечает за декодирование мРНК. Кроме того, сейчас известны многие другие классы РНК .

Искусственная нуклеиновая кислота [ править ]

Искусственные аналоги нуклеиновой кислоты были разработаны и синтезированы химиками и включают пептидную нуклеиновую кислоту , морфолино- и заблокированную нуклеиновую кислоту , гликолевую нуклеиновую кислоту и треозную нуклеиновую кислоту . Каждый из них отличается от естественной ДНК или РНК изменениями в основной цепи молекул.

См. Также [ править ]

  • Сравнение программного обеспечения для моделирования нуклеиновых кислот
  • История биохимии
  • История молекулярной биологии
  • История биологии РНК
  • Молекулярная биология
  • Методы нуклеиновой кислоты
  • Метаболизм нуклеиновых кислот
  • Структура нуклеиновой кислоты
  • Термодинамика нуклеиновых кислот
  • Синтез олигонуклеотидов
  • Количественное определение нуклеиновых кислот

Примечания [ править ]

  1. ^ Он назвал их нуклеином.

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Что такое ДНК» . Что такое ДНК . Линда Кларкс . Дата обращения 6 августа 2016 .
  2. ^ Билл Брайсон , Краткая история почти всего , Broadway Books, 2015. стр. 500.
  3. ^ Dahm R (январь 2008). «Открытие ДНК: Фридрих Мишер и первые годы исследований нуклеиновых кислот». Генетика человека . 122 (6): 565–81. DOI : 10.1007 / s00439-007-0433-0 . PMID 17901982 . S2CID 915930 .  
  4. Перейти ↑ Cox M, Nelson D (2008). Принципы биохимии . Сьюзан Уинслоу. п. 288. ISBN 9781464163074.
  5. ^ «Структура ДНК» . Что такое ДНК . Линда Кларкс . Дата обращения 6 августа 2016 .
  6. ^ Lander ES, Linton LM, Birren B, Nusbaum C, Zody MC, Baldwin J и др. (Февраль 2001 г.). «Первоначальное секвенирование и анализ генома человека» (PDF) . Природа . 409 (6822): 860–921. Bibcode : 2001Natur.409..860L . DOI : 10.1038 / 35057062 . PMID 11237011 .  
  7. ^ Вентер JC, Адамс MD, Майерс EW, Ли PW, Mural RJ, Sutton GG и др. (Февраль 2001 г.). «Последовательность генома человека» . Наука . 291 (5507): 1304–51. Bibcode : 2001Sci ... 291.1304V . DOI : 10.1126 / science.1058040 . PMID 11181995 . 
  8. ^ Budowle B, ван Даал A (апрель 2009). «Извлечение доказательств из судебно-медицинских анализов ДНК: будущие направления молекулярной биологии» . Биотехнологии . 46 (5): 339–40, 342–50. DOI : 10.2144 / 000113136 . PMID 19480629 . 
  9. ^ Элсон D (1965). «Метаболизм нуклеиновых кислот (макромолекулярная ДНК и РНК)». Ежегодный обзор биохимии . 34 : 449–86. DOI : 10.1146 / annurev.bi.34.070165.002313 . PMID 14321176 . 
  10. ^ Dahm R (январь 2008). «Открытие ДНК: Фридрих Мишер и первые годы исследований нуклеиновых кислот». Генетика человека . nih.gov. 122 (6): 565–81. DOI : 10.1007 / s00439-007-0433-0 . PMID 17901982 . S2CID 915930 .  
  11. ^ a b Brock TD, Madigan MT (2009). Брок-биология микроорганизмов . Пирсон / Бенджамин Каммингс. ISBN 978-0-321-53615-0.
  12. ^ Hardinger, Стивен; Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе (2011 г.). «Знание нуклеиновых кислот» (PDF) . ucla.edu.
  13. ^ Муллис, Кэри Б. Полимеразная цепная реакция (Нобелевская лекция). 1993. (получено 1 декабря 2010 г.) http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1993/mullis-lecture.html
  14. Перейти ↑ Verma S, Eckstein F (1998). «Модифицированные олигонуклеотиды: синтез и стратегия для пользователей» . Ежегодный обзор биохимии . 67 : 99–134. DOI : 10.1146 / annurev.biochem.67.1.99 . PMID 9759484 . 
  15. ^ Грегори С.Г., Барлоу К.Ф., Маклей К.Э., Каул Р., Сварбрек Д., Данхэм А. и др. (Май 2006 г.). «Последовательность ДНК и биологическая аннотация хромосомы 1 человека» . Природа . 441 (7091): 315–21. Bibcode : 2006Natur.441..315G . DOI : 10,1038 / природа04727 . PMID 16710414 . 
  16. ^ Тодоров TI, Моррис MD (апрель 2002). Национальные институты здоровья . «Сравнение поведения РНК, одноцепочечной ДНК и двухцепочечной ДНК во время капиллярного электрофореза в полуразбавленных растворах полимеров». Электрофорез . nih.gov. 23 (7–8): 1033–44. DOI : 10.1002 / 1522-2683 (200204) 23: 7/8 <1033 :: АИД-ELPS1033> 3.0.CO; 2-7 . PMID 11981850 . 
  17. ^ Маргарет Хант; Университет Южной Каролины (2010 г.). «Стратегии репликации вирусов РН» . sc.edu.
  18. ^ Макглинн P, Lloyd RG (август 1999). «Активность геликазы RecG в трех- и четырехцепочечных структурах ДНК» . Исследования нуклеиновых кислот . 27 (15): 3049–56. DOI : 10.1093 / NAR / 27.15.3049 . PMC 148529 . PMID 10454599 .  
  19. ^ Страйер, Люберт; Берг, Джереми Марк; Тимочко, Джон Л. (2007). Биохимия . Сан-Франциско: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-6766-4.
  20. ^ Рич A, RajBhandary UL (1976). «Трансферная РНК: молекулярная структура, последовательность и свойства». Ежегодный обзор биохимии . 45 : 805–60. DOI : 10.1146 / annurev.bi.45.070176.004105 . PMID 60910 . 
  21. ^ Ватсон JD Крик FH (апрель 1953). «Молекулярная структура нуклеиновых кислот; структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы». Природа . 171 (4356): 737–8. Bibcode : 1953Natur.171..737W . DOI : 10.1038 / 171737a0 . PMID 13054692 . S2CID 4253007 .  
  22. ^ Ферре-D'Amaré А.Р., Doudna JA (1999). «Складки РНК: выводы из недавних кристаллических структур». Ежегодный обзор биофизики и структуры биомолекул . 28 : 57–73. DOI : 10.1146 / annurev.biophys.28.1.57 . PMID 10410795 . 
  23. ^ Альбертс, Брюс (2008). Молекулярная биология клетки . Нью-Йорк: Наука Гарланд. ISBN 978-0-8153-4105-5.
  24. ^ Гилберт, Уолтер Г. 1980. Секвенирование ДНК и структура генов (Нобелевская лекция) http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1980/gilbert-lecture.html
  25. ^ Сэнгер, Фредерик. 1980. Определение нуклеотидных последовательностей в ДНК (Нобелевская лекция) http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1980/sanger-lecture.html
  26. ^ Координаторы ресурсов NCBI (январь 2014 г.). «Ресурсы базы данных Национального центра биотехнологической информации» . Исследования нуклеиновых кислот . 42 (Проблема с базой данных): D7-17. DOI : 10.1093 / NAR / gkt1146 . PMC 3965057 . PMID 24259429 .  

Библиография [ править ]

  • Вольфрам Зенгер, Принципы структуры нуклеиновых кислот , 1984, Springer-Verlag New York Inc.
  • Брюс Альбертс, Александр Джонсон, Джулиан Льюис, Мартин Рафф, Кейт Робертс и Питер Уолтер Молекулярная биология клетки , 2007, ISBN 978-0-8153-4105-5 . Четвертое издание доступно в Интернете на книжной полке NCBI: ссылка 
  • Джереми М. Берг, Джон Л. Тимочко и Луберт Страйер, Биохимия, 5-е издание, 2002, WH Freeman. Доступно в Интернете на книжной полке NCBI: ссылка
  • Астрид Сигель; Гельмут Сигель; Роланд К.О. Сигель, ред. (2012). Взаимодействие между ионами металлов и нуклеиновыми кислотами . Ионы металлов в науках о жизни. 10 . Springer. DOI : 10.1007 / 978-94-007-2172-2 . ISBN 978-94-007-2171-5. S2CID  92951134 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Палоу-Мир Дж, Барсело-Оливер М, Сигель РК (2017). «Глава 12. Роль свинца (II) в нуклеиновых кислотах». В Astrid S, Helmut S, Sigel RK (ред.). Свинец: его влияние на окружающую среду и здоровье . Ионы металлов в науках о жизни. 17 . де Грюйтер. С. 403–434. DOI : 10.1515 / 9783110434330-012 . PMID  28731305 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Интервью с Аароном Клагом, лауреатом Нобелевской премии по структурному выяснению структуры биологически важных комплексов нуклеиновых кислот и белков, предоставлено Vega Science Trust.
  • Журнал исследований нуклеиновых кислот
  • Nucleic Acids Book (бесплатная онлайн-книга по химии и биологии нуклеиновых кислот)