stringtranslate.com

Нуклеиновая кислота

Нуклеиновые кислоты РНК (слева) и ДНК (справа).

Нуклеиновые кислоты — это большие биомолекулы , которые играют решающую роль во всех клетках и вирусах. [1] Они состоят из нуклеотидов , которые являются мономерными компонентами: 5-углеродный сахар , фосфатная группа и азотистое основание . Два основных класса нуклеиновых кислот — это дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Если сахар — рибоза , полимер — РНК; если сахар — дезоксирибоза , вариант рибозы, полимер — ДНК.

Нуклеиновые кислоты — это химические соединения, которые встречаются в природе. Они переносят информацию в клетках и составляют генетический материал. Эти кислоты очень распространены во всех живых существах, где они создают, кодируют и хранят информацию в каждой живой клетке каждой формы жизни на Земле. В свою очередь, они отправляют и выражают эту информацию внутри и снаружи клеточного ядра. От внутренних процессов клетки до молодого живого существа они содержат и предоставляют информацию через последовательность нуклеиновых кислот . Это дает РНК и ДНК их безошибочный «ступенчатый» порядок нуклеотидов в их молекулах. Обе играют решающую роль в управлении синтезом белка .

Цепочки нуклеотидов связаны, образуя спиральные остовы, и собраны в цепочки оснований или пар оснований, выбранных из пяти первичных, или канонических, нуклеиновых оснований . РНК обычно образует цепочку из отдельных оснований, тогда как ДНК образует цепочку из пар оснований. Основания, обнаруженные в РНК и ДНК, следующие: аденин , цитозин , гуанин , тимин и урацил . Тимин встречается только в ДНК, а урацил только в РНК. Используя аминокислоты и синтез белка , [2] определенная последовательность в ДНК этих пар нуклеиновых оснований помогает сохранять и отправлять закодированные инструкции в виде генов . В РНК секвенирование пар оснований помогает создавать новые белки, которые определяют большинство химических процессов всех форм жизни.

История

Швейцарский ученый Фридрих Мишер открыл «нуклеин» в 1868 году . Позже он выдвинул идею о том, что он может быть вовлечен в наследственность . [3]

Нуклеиновая кислота была частично впервые открыта Фридрихом Мишером в 1869 году в Тюбингенском университете , Германия. Он открыл новое вещество, которое он назвал нуклеином и которое — в зависимости от того, как его результаты интерпретируются в деталях — можно рассматривать в современных терминах либо как комплекс нуклеиновая кислота- гистон , либо как фактическую нуклеиновую кислоту. Фебер Аарон Теодор Левин, американский биохимик, определил основную структуру нуклеиновых кислот. [4] [5] [6] В начале 1880-х годов Альбрехт Коссель дополнительно очистил вещество нуклеиновой кислоты и открыл его высококислотные свойства. Позже он также идентифицировал азотистые основания . В 1889 году Ричард Альтман создал термин нуклеиновая кислота — в то время ДНК и РНК не были дифференцированы. [7] В 1938 году Эстбери и Белл опубликовали первую рентгенодифракционную картину ДНК. [8]

В 1944 году эксперимент Эвери-Маклеода-Маккарти показал, что ДНК является носителем генетической информации, а в 1953 году Уотсон и Крик предложили структуру двойной спирали ДНК . [9]

Экспериментальные исследования нуклеиновых кислот составляют основную часть современных биологических и медицинских исследований и формируют основу для геномной и судебной науки , а также биотехнологической и фармацевтической промышленности . [10] [11] [12]

Распространение и номенклатура

Термин нуклеиновая кислота является общим названием для ДНК и РНК, членов семейства биополимеров , [13] и является типом полинуклеотида . Нуклеиновые кислоты были названы в честь их первоначального открытия в ядре и наличия фосфатных групп (связанных с фосфорной кислотой). [14] Хотя впервые они были обнаружены в ядре эукариотических клеток, сейчас известно, что нуклеиновые кислоты встречаются во всех формах жизни, включая бактерии , археи , митохондрии , хлоропласты и вирусы (идут споры 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 оба. [15] Основным компонентом биологических нуклеиновых кислот является нуклеотид , каждый из которых содержит пентозный сахар ( рибозу или дезоксирибозу ), фосфатную группу и азотистое основание . [16] Нуклеиновые кислоты также производятся в лабораторных условиях с помощью ферментов [17] (ДНК- и РНК-полимераз) и путем твердофазного химического синтеза .

Молекулярный состав и размер

Нуклеиновые кислоты, как правило, очень большие молекулы. Действительно, молекулы ДНК, вероятно, являются самыми большими отдельными молекулами, известными. Хорошо изученные биологические молекулы нуклеиновых кислот имеют размер от 21 нуклеотида ( малая интерферирующая РНК ) до больших хромосом ( человеческая хромосома 1 представляет собой одну молекулу, содержащую 247 миллионов пар оснований [18] ).

В большинстве случаев молекулы ДНК естественного происхождения являются двухцепочечными , а молекулы РНК — одноцепочечными. [19] Однако существуют многочисленные исключения: некоторые вирусы имеют геномы, состоящие из двухцепочечной РНК , а другие вирусы имеют геномы одноцепочечной ДНК , [20] а в некоторых случаях могут образовываться структуры нуклеиновых кислот с тремя или четырьмя цепями. [21]

Нуклеиновые кислоты — это линейные полимеры (цепи) нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов: пуринового или пиримидинового нуклеинового основания (иногда называемого азотистым основанием или просто основанием ), пентозного сахара и фосфатной группы, которая делает молекулу кислой. Субструктура, состоящая из нуклеинового основания и сахара, называется нуклеозидом . Типы нуклеиновых кислот различаются по структуре сахара в их нуклеотидах — ДНК содержит 2'- дезоксирибозу , а РНК содержит рибозу (единственное отличие — наличие гидроксильной группы ). Кроме того, нуклеиновые основания, обнаруженные в двух типах нуклеиновых кислот, различны: аденин , цитозин и гуанин встречаются как в РНК, так и в ДНК, в то время как тимин встречается в ДНК, а урацил — в РНК. [ необходима цитата ]

Сахара и фосфаты в нуклеиновых кислотах соединены друг с другом в чередующейся цепи (сахарофосфатный остов) через фосфодиэфирные связи. [22] В общепринятой номенклатуре углероды, к которым присоединяются фосфатные группы, являются 3'-концевыми и 5'-концевыми углеродами сахара. Это придает нуклеиновым кислотам направленность , а концы молекул нуклеиновых кислот называются 5'-концевыми и 3'-концевыми. Азотистые основания соединены с сахарами через N -гликозидную связь, включающую азот азотистого кольца ( N -1 для пиримидинов и N -9 для пуринов) и 1' углерода пентозного сахарного кольца.

Нестандартные нуклеозиды также встречаются как в РНК, так и в ДНК и обычно возникают из-за модификации стандартных нуклеозидов в молекуле ДНК или первичного (начального) транскрипта РНК. Молекулы транспортной РНК (тРНК) содержат особенно большое количество модифицированных нуклеозидов. [23]

Топология

Двухцепочечные нуклеиновые кислоты состоят из комплементарных последовательностей, в которых обширное спаривание оснований Уотсона-Крика приводит к высокоповторяющейся и довольно однородной двухспиральной трехмерной структуре нуклеиновой кислоты. [24] Напротив, одноцепочечные молекулы РНК и ДНК не ограничены обычной двойной спиралью и могут принимать очень сложные трехмерные структуры , основанные на коротких участках внутримолекулярных парных последовательностей оснований, включая как пары Уотсона-Крика, так и неканонические пары оснований, а также широкий спектр сложных третичных взаимодействий. [25]

Молекулы нуклеиновых кислот обычно неразветвленные и могут встречаться в виде линейных и кольцевых молекул. Например, бактериальные хромосомы, плазмиды , митохондриальная ДНК и хлоропластная ДНК обычно представляют собой кольцевые двухцепочечные молекулы ДНК, в то время как хромосомы эукариотического ядра обычно представляют собой линейные двухцепочечные молекулы ДНК. [15] Большинство молекул РНК являются линейными одноцепочечными молекулами, но в результате реакций сплайсинга РНК могут образовываться как кольцевые, так и разветвленные молекулы . [26] Общее количество пиримидинов в двухцепочечной молекуле ДНК равно общему количеству пуринов. Диаметр спирали составляет около 20 Å .

Последовательности

Одна молекула ДНК или РНК отличается от другой в первую очередь последовательностью нуклеотидов . Нуклеотидные последовательности имеют большое значение в биологии, поскольку они несут конечные инструкции, которые кодируют все биологические молекулы, молекулярные сборки, субклеточные и клеточные структуры, органы и организмы, и напрямую обеспечивают познание, память и поведение. Огромные усилия были направлены на разработку экспериментальных методов определения нуклеотидной последовательности биологических молекул ДНК и РНК, [27] [28] и сегодня сотни миллионов нуклеотидов ежедневно секвенируются в геномных центрах и небольших лабораториях по всему миру. В дополнение к поддержанию базы данных последовательностей нуклеиновых кислот GenBank, Национальный центр биотехнологической информации (NCBI) предоставляет ресурсы для анализа и поиска данных в GenBank и других биологических данных, доступных через веб-сайт NCBI. [29]

Типы

Дезоксирибонуклеиновая кислота

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — это нуклеиновая кислота, содержащая генетические инструкции, используемые в развитии и функционировании всех известных живых организмов. Химическая ДНК была открыта в 1869 году, но ее роль в генетическом наследовании не была продемонстрирована до 1943 года. Сегменты ДНК, которые несут эту генетическую информацию, называются генами. 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, которые необходимы для всех известных форм жизни. ДНК состоит из двух длинных полимеров мономерных единиц, называемых нуклеотидами, с остовами, состоящими из сахаров и фосфатных групп, соединенных сложноэфирными связями. Эти две нити ориентированы в противоположных направлениях друг к другу и, следовательно, являются антипараллельными . К каждому сахару прикреплен один из четырех типов молекул, называемых азотистыми основаниями (неофициально, основаниями). Именно последовательность этих четырех азотистых оснований вдоль остова кодирует генетическую информацию. Эта информация определяет последовательность аминокислот в белках в соответствии с генетическим кодом . Код считывается путем копирования участков ДНК в соответствующую нуклеиновую кислоту РНК в процессе, называемом транскрипцией. Внутри клеток ДНК организована в длинные последовательности, называемые хромосомами. Во время деления клетки эти хромосомы дублируются в процессе репликации ДНК, обеспечивая каждую клетку собственным полным набором хромосом. Эукариотические организмы (животные, растения, грибы и простейшие) хранят большую часть своей ДНК внутри клеточного ядра, а часть своей ДНК — в органеллах, таких как митохондрии или хлоропласты. Напротив, прокариоты (бактерии и археи) хранят свою ДНК только в цитоплазме. Внутри хромосом белки хроматина, такие как гистоны, уплотняют и организуют ДНК. Эти компактные структуры направляют взаимодействия между ДНК и другими белками, помогая контролировать, какие части ДНК транскрибируются. [ необходима цитата ]

Рибонуклеиновая кислота

Рибонуклеиновая кислота (РНК) выполняет функции преобразования генетической информации из генов в аминокислотные последовательности белков. Три универсальных типа РНК включают транспортную РНК (тРНК), информационную РНК (мРНК) и рибосомальную РНК (рРНК). Информационная РНК переносит информацию о генетической последовательности между ДНК и рибосомами, направляя синтез белка и переносит инструкции от ДНК в ядре к рибосоме. Рибосомальная РНК считывает последовательность ДНК и катализирует образование пептидных связей. Транспортная РНК служит в качестве молекулы-носителя для аминокислот, которые будут использоваться в синтезе белка, и отвечает за декодирование мРНК. Кроме того, в настоящее время известно много других классов РНК . [ необходима цитата ]

Искусственная нуклеиновая кислота

Искусственные аналоги нуклеиновых кислот были разработаны и синтезированы. [30] Они включают пептидную нуклеиновую кислоту , морфолино- и закрытую нуклеиновую кислоту , гликольнуклеиновую кислоту и треозонуклеиновую кислоту . Каждая из них отличается от встречающихся в природе ДНК или РНК изменениями в остове молекул. [ необходима цитата ]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Нуклеиновая кислота". Genome.gov . Получено 1 января 2022 г. .
  2. ^ "Что такое ДНК". Что такое ДНК . Линда Кларкс . Получено 6 августа 2016 .
  3. ^ Билл Брайсон , Краткая история почти всего на свете , Broadway Books, 2015. С. 500.
  4. ^ Баннварт, Хорст. «Биологический лексикон». Spektrum.de (на немецком языке) . Проверено 24 июня 2024 г.
  5. ^ Dahm R (январь 2008 г.). «Открытие ДНК: Фридрих Мишер и ранние годы исследований нуклеиновых кислот». Генетика человека . 122 (6): 565–581. doi :10.1007/s00439-007-0433-0. PMID  17901982. S2CID  915930.(Примечание: на странице 575 упоминается включение или невключение белков (гистонов) в концепцию нуклеина)
  6. ^ Эдльбахер, С. (2020). Kurzgefasstes Lehrbuch der Psychologischen Chemie (на немецком языке). Де Грюйтер. п. 85. ИСБН 978-3-11-146382-7. Получено 24.06.2024 .(Примечание: оригинальный текст датирован 1940 годом)
  7. ^ "BIOdotEDU". www.brooklyn.cuny.edu . Получено 1 января 2022 г. .
  8. ^ Кокс М., Нельсон Д. (2008). Принципы биохимии. Сьюзен Уинслоу. стр. 288. ISBN 9781464163074.
  9. ^ "Структура ДНК". Что такое ДНК . Линда Кларкс . Получено 6 августа 2016 г.
  10. ^ Lander ES, Linton LM, Birren B, Nusbaum C, Zody MC, Baldwin J, et al. (Февраль 2001). «Первоначальное секвенирование и анализ генома человека» (PDF) . Nature . 409 (6822): 860–921. Bibcode :2001Natur.409..860L. doi : 10.1038/35057062 . PMID  11237011.
  11. ^ Venter JC, Adams MD, Myers EW, Li PW, Mural RJ, Sutton GG и др. (февраль 2001 г.). «Последовательность генома человека». Science . 291 (5507): 1304–51. Bibcode :2001Sci...291.1304V. doi :10.1126/science.1058040. PMID  11181995.
  12. ^ Budowle B, van Daal A (апрель 2009 г.). «Извлечение доказательств из судебно-медицинских анализов ДНК: будущие направления молекулярной биологии». BioTechniques . 46 (5): 339–40, 342–50. doi : 10.2144/000113136 . PMID  19480629.
  13. ^ Элсон Д. (1965). «Метаболизм нуклеиновых кислот (макромолекулярная ДНК и РНК)». Annual Review of Biochemistry . 34 : 449–86. doi :10.1146/annurev.bi.34.070165.002313. PMID  14321176.
  14. ^ Dahm R (январь 2008 г.). «Открытие ДНК: Фридрих Мишер и ранние годы исследований нуклеиновых кислот». Генетика человека . 122 (6). nih.gov: 565–81. doi :10.1007/s00439-007-0433-0. PMID  17901982. S2CID  915930.
  15. ^ ab Brock TD, Madigan MT (2009). Биология микроорганизмов Брока . Пирсон / Бенджамин Каммингс. ISBN 978-0-321-53615-0.
  16. ^ Хардингер, Стивен; Калифорнийский университет, Лос-Анджелес (2011). «Знание нуклеиновых кислот» (PDF) . ucla.edu.
  17. ^ Маллис, Кэри Б. Полимеразная цепная реакция (Нобелевская лекция). 1993. (получено 1 декабря 2010 г.) http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1993/mullis-lecture.html
  18. ^ Gregory SG, Barlow KF, McLay KE, Kaul R, Swarbreck D, Dunham A и др. (май 2006 г.). «Последовательность ДНК и биологическая аннотация человеческой хромосомы 1». Nature . 441 (7091): 315–21. Bibcode :2006Natur.441..315G. doi : 10.1038/nature04727 . PMID  16710414.
  19. ^ Тодоров ТИ, Моррис МД (апрель 2002 г.). «Сравнение поведения РНК, одноцепочечной ДНК и двухцепочечной ДНК во время капиллярного электрофореза в полуразбавленных полимерных растворах». Электрофорез . 23 (7–8). Национальные институты здравоохранения . nih.gov: 1033–44. doi :10.1002/1522-2683(200204)23:7/8<1033::AID-ELPS1033>3.0.CO;2-7. PMID  11981850. S2CID  33167686.
  20. ^ Маргарет Хант; Университет Южной Каролины (2010). «Стратегии репликации вирусов RN». sc.edu.
  21. ^ McGlynn P, Lloyd RG (август 1999). "Активность геликазы RecG в трех- и четырехцепочечных структурах ДНК". Nucleic Acids Research . 27 (15): 3049–56. doi :10.1093/nar/27.15.3049. PMC 148529. PMID 10454599  . 
  22. ^ Страйер, Луберт; Берг, Джереми Марк; Тимочко, Джон Л. (2007). Биохимия . Сан-Франциско: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-6766-4.
  23. ^ Рич А, Радж Бхандари UL (1976). «Трансферная РНК: молекулярная структура, последовательность и свойства». Annual Review of Biochemistry . 45 : 805–60. doi :10.1146/annurev.bi.45.070176.004105. PMID  60910.
  24. ^ Watson JD, Crick FH (апрель 1953). «Молекулярная структура нуклеиновых кислот; структура дезоксирибозонуклеиновой кислоты». Nature . 171 (4356): 737–8. Bibcode :1953Natur.171..737W. doi :10.1038/171737a0. PMID  13054692. S2CID  4253007.
  25. ^ Ферре-Д'Амаре AR, Дудна JA (1999). «Складки РНК: понимание недавних кристаллических структур». Ежегодный обзор биофизики и биомолекулярной структуры . 28 : 57–73. doi :10.1146/annurev.biophys.28.1.57. PMID  10410795.
  26. ^ Альбертс, Брюс (2008). Молекулярная биология клетки . Нью-Йорк: Garland Science. ISBN 978-0-8153-4105-5.
  27. ^ Гилберт, Уолтер Г. 1980. Секвенирование ДНК и структура гена (Нобелевская лекция) http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1980/gilbert-lecture.html
  28. ^ Сэнгер, Фредерик. 1980. Определение последовательностей нуклеотидов в ДНК (Нобелевская лекция) http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1980/sanger-lecture.html
  29. ^ Координаторы ресурсов NCBI (январь 2014 г.). «Ресурсы базы данных Национального центра биотехнологической информации». Nucleic Acids Research . 42 (выпуск базы данных): D7-17. doi :10.1093/nar/gkt1146. PMC 3965057. PMID  24259429 . 
  30. ^ Verma S, Eckstein F (1998). «Модифицированные олигонуклеотиды: синтез и стратегия для пользователей». Annual Review of Biochemistry . 67 : 99–134. doi : 10.1146/annurev.biochem.67.1.99 . PMID  9759484.

Библиография

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки