Нуклеиновые кислоты — это крупные биомолекулы , которые имеют решающее значение для всех клеток и вирусов. [1] Они состоят из нуклеотидов , которые являются мономерными компонентами: 5-углеродным сахаром , фосфатной группой и азотистым основанием . Двумя основными классами нуклеиновых кислот являются дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Если сахар представляет собой рибозу , полимер представляет собой РНК; если сахар представляет собой дезоксирибозу , вариант рибозы, полимером является ДНК.
Нуклеиновые кислоты – это химические соединения, встречающиеся в природе. Они несут 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 ядра клетки. От внутренней работы клетки до молодняка живого существа — они содержат и предоставляют информацию через последовательность нуклеиновой кислоты . Это придает РНК и ДНК безошибочный «ступенчатый» порядок расположения нуклеотидов в их молекулах. Оба играют решающую роль в управлении синтезом белка .
Цепочки нуклеотидов соединяются, образуя спиральные основные цепи, и собираются 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 пар оснований. Основания, обнаруженные в РНК и ДНК: аденин , цитозин , гуанин , тимин и урацил . Тимин встречается только в ДНК, а урацил — только в РНК. Используя аминокислоты и синтез белка , [2] специфическая последовательность этих пар нуклеиновых оснований в ДНК 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.
Нуклеиновая кислота была впервые обнаружена Фридрихом Мишером в 1869 году в Тюбингенском университете , Германия. Он дал ему первое название нуклеин . [4] В начале 1880-х годов Альбрехт Коссель дополнительно очистил это вещество и обнаружил его сильнокислотные свойства. Позже он также определил нуклеиновые основания . В 1889 году Ричард Альтманн ввел термин «нуклеиновая кислота» — в то время ДНК и РНК еще не дифференцировались. [5] В 1938 году Эстбери и Белл опубликовали первую рентгенограмму ДНК. [6]
В 1944 году эксперимент Эйвери-Маклауда-Маккарти показал, что ДНК является носителем генетической информации, а в 1953 году Уотсон и Крик предложили структуру двойной спирали ДНК . [7]
Экспериментальные исследования нуклеиновых кислот составляют большую часть современных биологических и медицинских исследований и составляют основу геномной и судебной медицины , биотехнологии и фармацевтической промышленности . [8] [9] [10]
Термин «нуклеиновая кислота» является общим названием ДНК и РНК , членов семейства биополимеров [ 11] и является синонимом полинуклеотида . Нуклеиновые кислоты были названы в честь их первоначального открытия в ядре и присутствия фосфатных групп (связанных с фосфорной кислотой). [12] Хотя нуклеиновые кислоты впервые были обнаружены в ядре эукариотических клеток , теперь известно, что они обнаруживаются во всех формах жизни, включая бактерии , археи , митохондрии , хлоропласты и вирусы ( идут споры о том , являются ли вирусы живыми или нет). жизнь ). Все живые клетки содержат как ДНК, так и РНК (за исключением некоторых клеток, таких как зрелые эритроциты), тогда как вирусы содержат либо ДНК, либо РНК, но обычно не то и другое. [13] Основным компонентом биологических нуклеиновых кислот является нуклеотид , каждый из которых содержит пентозный сахар ( рибозу или дезоксирибозу ), фосфатную группу и азотистое основание . [14] Нуклеиновые кислоты также производятся в лаборатории с помощью ферментов [15] (ДНК- и РНК-полимераз) и посредством твердофазного химического синтеза .
Нуклеиновые кислоты обычно представляют собой очень большие молекулы. Действительно, молекулы ДНК, вероятно, являются самыми крупными из известных индивидуальных молекул. Хорошо изученные биологические молекулы нуклеиновых кислот имеют размер от 21 нуклеотида ( маленькая интерферирующая РНК ) до крупных хромосом ( хромосома 1 человека представляет собой единственную молекулу, содержащую 247 миллионов пар оснований [16] ).
В большинстве случаев встречающиеся в природе молекулы ДНК являются двухцепочечными , а молекулы РНК — одноцепочечными. [17] Однако есть многочисленные исключения: геномы некоторых вирусов состоят из двухцепочечной РНК , а другие вирусы имеют геномы одноцепочечной ДНК , [18] и в некоторых случаях могут образовываться структуры нуклеиновой кислоты с тремя или четырьмя цепями. [19]
Нуклеиновые кислоты представляют собой 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 азотистого основания и сахара, 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, различны: аденин , цитозин и гуанин обнаружены как в РНК, так и в ДНК, тогда как тимин встречается в ДНК, а урацил встречается в РНК. [ нужна цитата ]
Сахара и фосфаты в нуклеиновых кислотах соединены друг с другом в чередующуюся цепь (сахаро-фосфатный остов) посредством фосфодиэфирных связей. [20] В общепринятой номенклатуре атомы углерода, к которым присоединяются фосфатные группы, представляют собой углероды на 3'-конце и 5'-конце сахара. Это придает нуклеиновым кислотам направленность , а концы молекул нуклеиновых кислот называются 5'-концом и 3'-концом. Нуклеиновые основания присоединяются к сахарам посредством N -гликозидной связи, включающей азот нуклеинового кольца ( N -1 для пиримидинов и N -9 для пуринов) и 1'-углерод пентозного сахарного кольца.
Нестандартные нуклеозиды также встречаются как в РНК, так и в ДНК и обычно возникают в результате модификации стандартных нуклеозидов внутри молекулы ДНК или первичного (начального) транскрипта РНК. Молекулы транспортной РНК (тРНК) содержат особенно большое количество модифицированных нуклеозидов. [21]
Двухцепочечные нуклеиновые кислоты состоят из комплементарных последовательностей, в которых обширное спаривание оснований Уотсона-Крика приводит к сильно повторяющейся и довольно однородной двухспиральной трехмерной структуре нуклеиновой кислоты. [22] Напротив, одноцепочечные молекулы РНК и ДНК не ограничены регулярной двойной спиралью и могут принимать очень сложные трехмерные структуры , основанные на коротких участках внутримолекулярных последовательностей спаренных оснований, включая как Уотсон-Крика, так и неканонические. пары оснований и широкий спектр сложных третичных взаимодействий. [23]
Молекулы нуклеиновой кислоты обычно неразветвлены и могут встречаться в виде линейных и кольцевых молекул. Например, бактериальные хромосомы, плазмиды , митохондриальная ДНК и ДНК хлоропластов обычно представляют собой кольцевые двухцепочечные молекулы ДНК, тогда как хромосомы эукариотического ядра обычно представляют собой линейные двухцепочечные молекулы ДНК. [13] Большинство молекул РНК представляют собой линейные одноцепочечные молекулы, но в результате реакций сплайсинга РНК могут возникать как кольцевые, так и разветвленные молекулы . [24] Общее количество пиримидинов в двухцепочечной молекуле ДНК равно общему количеству пуринов. Диаметр спирали составляет около 20 Å .
Одна молекула ДНК или РНК отличается от другой прежде всего последовательностью нуклеотидов . Нуклеотидные последовательности имеют большое значение в биологии, поскольку они несут окончательные инструкции, которые кодируют все биологические молекулы, молекулярные сборки, субклеточные и клеточные структуры, органы и организмы и непосредственно обеспечивают познание, память и поведение. Огромные усилия были направлены на разработку экспериментальных методов определения нуклеотидной последовательности биологических молекул ДНК и РНК, [25] [26] , и сегодня сотни миллионов нуклеотидов секвенируются ежедневно в геномных центрах и небольших лабораториях по всему миру. Помимо поддержки базы данных последовательностей нуклеиновых кислот GenBank, Национальный центр биотехнологической информации (NCBI) предоставляет ресурсы для анализа и поиска данных из GenBank и других биологических данных, доступных через веб-сайт NCBI. [27]
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, несущие эту генетическую информацию, называются генами. Другие последовательности ДНК имеют структурное назначение 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 мономерных единиц, называемых нуклеотидами, с остовами, состоящими из сахаров и фосфатных групп, соединенных сложноэфирными связями. Эти две нити ориентированы в противоположных друг другу направлениях и, следовательно, антипараллельны . К каждому сахару прикреплен один из четырех типов молекул, называемых азотистыми основаниями (неформально — основаниями). Именно последовательность этих четырех нуклеиновых оснований вдоль основной цепи кодирует генетическую информацию. Эта информация определяет последовательность аминокислот в белках в соответствии с генетическим кодом . Код считывается путем копирования участков ДНК в соответствующую РНК нуклеиновой кислоты в процессе, называемом транскрипцией. Внутри клеток ДНК организована в длинные последовательности, называемые хромосомами. Во время деления клетки эти хромосомы удваиваются в процессе репликации ДНК, обеспечивая каждой клетке свой полный набор хромосом. Эукариотические организмы (животные, растения, грибы и протисты) хранят большую часть своей ДНК внутри ядра клетки, а часть 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 управляют взаимодействием между ДНК и другими белками, помогая контролировать, какие части ДНК транскрибируются. [ нужна цитата ]
Рибонуклеиновая кислота (РНК) участвует в преобразовании 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 передает инструкции от ДНК в ядре к рибосоме. Рибосомальная РНК считывает последовательность ДНК и катализирует образование пептидной связи. Транспортная РНК служит молекулой-носителем аминокислот, которые будут использоваться в синтезе белка, и отвечает за декодирование мРНК. Кроме того, сейчас известны многие другие классы РНК . [ нужна цитата ]
Были разработаны и синтезированы искусственные аналоги нуклеиновых кислот . [28] Они включают пептид-нуклеиновую кислоту , морфолино- и заблокированную нуклеиновую кислоту , гликолевую нуклеиновую кислоту и треозо-нуклеиновую кислоту . Каждый из них отличается от встречающейся в природе ДНК или РНК изменениями в основной цепи молекул. [ нужна цитата ]
