Нуклеиновая кислота
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.
История [ править ]
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]
Встречаемость и номенклатура [ править ]
Термин «нуклеиновая кислота» — это общее название 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 вирусы всех формах жизни, включая бактерии , археи , митохондрии , хлоропласты и клеток, теперь известно, что они обнаруживаются во (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), 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-полимеразы) и методом твердофазного химического синтеза .
и размер состав Молекулярный
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 одну молекулу, содержащую 247 миллионов пар оснований) . [16] ).
В большинстве случаев встречающиеся в природе молекулы ДНК являются двухцепочечными , а молекулы РНК — одноцепочечными. [17] Однако существует множество исключений: геномы некоторых вирусов состоят из двухцепочечной РНК , а геномы других вирусов состоят из одноцепочечной ДНК . [18] и в некоторых случаях могут образовываться структуры нуклеиновой кислоты с тремя или четырьмя нитями. [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 нуклеотидах: ДНК содержит 2'- дезоксирибозу , а РНК содержит рибозу (единственное различие заключается в наличии гидроксильной группы ). Кроме того, азотистые 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 ссылка ]
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]
Топология [ править ]
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 .
Последовательности [ править ]
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]
Типы [ править ]
Дезоксирибонуклеиновая кислота [ править ]
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 генетический код . 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 ссылка ]
Рибонуклеиновая кислота [ править ]
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, многие другие классы РНК . сейчас известны [ нужна ссылка ]
Искусственная нуклеиновая кислота [ править ]
искусственные аналоги нуклеиновых кислот . Были разработаны и синтезированы [28] К ним относятся пептид-нуклеиновые кислоты , морфолино- и заблокированные нуклеиновые кислоты , гликолевые нуклеиновые кислоты и треозо-нуклеиновые кислоты . Каждый из них отличается от встречающейся в природе ДНК или РНК изменениями в основной цепи молекул. [ нужна ссылка ]
См. также [ править ]
- Сравнение программного обеспечения для моделирования нуклеиновых кислот
- История биохимии
- История молекулярной биологии
- История биологии РНК
- Молекулярная биология - раздел биологии, изучающий биологические системы на молекулярном уровне.
- Методы нуклеиновых кислот - методы, используемые для изучения нуклеиновых кислот.
- Метаболизм нуклеиновых кислот – страницы процессов
- Структура нуклеиновой кислоты - биомолекулярная структура нуклеиновых кислот, таких как ДНК и РНК.
- Термодинамика нуклеиновых кислот - Исследование того, как температура влияет на структуру нуклеиновой кислоты.
- Синтез олигонуклеотидов - химический синтез относительно коротких фрагментов нуклеиновых кислот с определенной химической структурой.
- Количественная оценка нуклеиновых кислот – обычно выполняется для определения средних концентраций ДНК или РНК, присутствующих в смеси, а также их чистоты.
Ссылки [ править ]
- ^ «Нуклеиновая кислота» . Genome.gov . Проверено 1 января 2022 г.
- ^ «Что такое ДНК» . Что такое ДНК . Линда Кларкс . Проверено 6 августа 2016 г.
- ^ Билл Брайсон , Краткая история почти всего , Broadway Books, 2015.стр. 500.
- ^ Дам Р. (январь 2008 г.). «Открытие ДНК: Фридрих Мишер и первые годы исследований нуклеиновых кислот». Генетика человека . 122 (6): 565–81. дои : 10.1007/s00439-007-0433-0 . ПМИД 17901982 . S2CID 915930 .
- ^ «БИОДОТЕДУ» . www.brooklyn.cuny.edu . Проверено 1 января 2022 г.
- ^ Кокс М., Нельсон Д. (2008). Принципы биохимии . Сьюзен Уинслоу. п. 288. ИСБН 9781464163074 .
- ^ «Структура ДНК» . Что такое ДНК . Линда Кларкс . Проверено 6 августа 2016 г.
- ^ Ландер Э.С., Линтон Л.М., Биррен Б., Нусбаум С., Зоди М.К., Болдуин Дж. и др. (февраль 2001 г.). «Первичное секвенирование и анализ генома человека» (PDF) . Природа . 409 (6822): 860–921. Бибкод : 2001Natur.409..860L . дои : 10.1038/35057062 . ПМИД 11237011 .
- ^ Вентер Дж.К., Адамс М.Д., Майерс Э.В., Ли П.В., Мурал Р.Дж., Саттон Г.Г. и др. (февраль 2001 г.). «Последовательность генома человека». Наука . 291 (5507): 1304–51. Бибкод : 2001Sci...291.1304V . дои : 10.1126/science.1058040 . ПМИД 11181995 .
- ^ Будоул Б., ван Даал А. (апрель 2009 г.). «Извлечение доказательств из судебно-медицинских анализов ДНК: будущие направления молекулярной биологии» . БиоТехники . 46 (5): 339–40, 342–50. дои : 10.2144/000113136 . ПМИД 19480629 .
- ^ Элсон Д. (1965). «Метаболизм нуклеиновых кислот (макромолекулярной ДНК и РНК)». Ежегодный обзор биохимии . 34 : 449–86. дои : 10.1146/annurev.bi.34.070165.002313 . ПМИД 14321176 .
- ^ Дам Р. (январь 2008 г.). «Открытие ДНК: Фридрих Мишер и первые годы исследований нуклеиновых кислот». Генетика человека . 122 (6). nih.gov: 565–81. дои : 10.1007/s00439-007-0433-0 . ПМИД 17901982 . S2CID 915930 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Брок Т.Д., Мэдиган М.Т. (2009). Брок Биология микроорганизмов . Пирсон / Бенджамин Каммингс. ISBN 978-0-321-53615-0 .
- ^ Хардингер, Стивен; Калифорнийский университет, Лос-Анджелес (2011 г.). «Знание нуклеиновых кислот» (PDF) . ucla.edu.
- ^ 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.
- ^ Грегори С.Г., Барлоу К.Ф., Маклей К.Э., Каул Р., Сварбрек Д., Данэм А. и др. (май 2006 г.). «Последовательность ДНК и биологическая аннотация хромосомы 1 человека» . Природа . 441 (7091): 315–21. Бибкод : 2006Natur.441..315G . дои : 10.1038/nature04727 . ПМИД 16710414 .
- ^ Тодоров Т.И., Моррис, доктор медицинских наук (апрель 2002 г.). «Сравнение поведения РНК, одноцепочечной ДНК и двухцепочечной ДНК во время капиллярного электрофореза в полуразбавленных растворах полимеров». 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 . ПМИД 11981850 . S2CID 33167686 .
- ^ Маргарет Хант; Университет Южной Каролины (2010 г.). «Стратегии репликации вируса RN» . sc.edu.
- ^ МакГлинн П., Ллойд Р.Г. (август 1999 г.). «Активность хеликазы RecG в трех- и четырехцепочечных структурах ДНК» . Исследования нуклеиновых кислот . 27 (15): 3049–56. дои : 10.1093/нар/27.15.3049 . ПМК 148529 . ПМИД 10454599 .
- ^ Страйер, Люберт; Берг, Джереми Марк; Тимочко, Джон Л. (2007). Биохимия . Сан-Франциско: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-6766-4 .
- ^ Рич А., РаджБхандари УЛ (1976). «Трансферная РНК: молекулярная структура, последовательность и свойства». Ежегодный обзор биохимии . 45 : 805–60. дои : 10.1146/annurev.bi.45.070176.004105 . ПМИД 60910 .
- ^ Уотсон Дж. Д., Крик Ф. Х. (апрель 1953 г.). «Молекулярная структура нуклеиновых кислот; структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы». Природа . 171 (4356): 737–8. Бибкод : 1953Natur.171..737W . дои : 10.1038/171737a0 . ПМИД 13054692 . S2CID 4253007 .
- ^ Ферре-Д'Амаре А.Р., Дудна Ж.А. (1999). «Складки РНК: выводы из недавних кристаллических структур». Ежегодный обзор биофизики и биомолекулярной структуры . 28 : 57–73. doi : 10.1146/annurev.biophys.28.1.57 . ПМИД 10410795 .
- ^ Альбертс, Брюс (2008). Молекулярная биология клетки . Нью-Йорк: Garland Science. ISBN 978-0-8153-4105-5 .
- ^ Гилберт, Уолтер Г. 1980. Секвенирование ДНК и структура генов (Нобелевская лекция) http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1980/gilbert-lecture.html
- ^ Сэнгер, Фредерик. 1980. Определение нуклеотидных последовательностей в ДНК (Нобелевская лекция) http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1980/sanger-lecture.html.
- ^ Координаторы ресурсов NCBI (январь 2014 г.). «Ресурсы базы данных Национального центра биотехнологической информации» . Исследования нуклеиновых кислот . 42 (Проблема с базой данных): D7-17. дои : 10.1093/нар/gkt1146 . ПМЦ 3965057 . ПМИД 24259429 .
- ^ Верма С., Экстайн Ф (1998). «Модифицированные олигонуклеотиды: синтез и стратегия для пользователей» . Ежегодный обзор биохимии . 67 : 99–134. doi : 10.1146/annurev.biochem.67.1.99 . ПМИД 9759484 .
Библиография [ править ]
- Вольфрам Сенгер, 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 г., ISBN 978-0-8153-4105-5 . Четвертое издание доступно онлайн на книжной полке NCBI: ссылка
- Джереми М. Берг, Джон Л. Тимочко и Люберт Страйер, Биохимия, 5-е издание, 2002 г., WH Freeman. Доступно онлайн на книжной полке NCBI: ссылка
- Астрид Сигел; Хельмут Сигель; Роланд К.О. Сигел, ред. (2012). Взаимодействие между ионами металлов и нуклеиновыми кислотами . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 10. Спрингер. дои : 10.1007/978-94-007-2172-2 . ISBN 978-94-007-2171-5 . S2CID 92951134 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Палу-Мир Дж., Барсело-Оливер М., Сигел Р.К. (2017). «Глава 12. Роль свинца (II) в нуклеиновых кислотах». В Астрид С., Хельмут С., Сигел Р.К. (ред.). Свинец: его влияние на окружающую среду и здоровье . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 17. де Грюйтер. стр. 403–434. дои : 10.1515/9783110434330-012 . ПМИД 28731305 .
Внешние ссылки [ править ]
- Интервью с Аароном Клугом, лауреатом Нобелевской премии за структурное выяснение биологически важных комплексов нуклеиновая кислота-белок, предоставленное Vega Science Trust.
- исследований нуклеиновых кислот Журнал
- Книга о нуклеиновых кислотах (бесплатная онлайн-книга по химии и биологии нуклеиновых кислот)
- Визуализация нуклеотидной последовательности
Виды нуклеиновых кислот |
|---|
