Жасушалардың маңызды биомолекулалары: ДНК және РНК

Кіріспе

Барлық белгілі тіршілік үшін маңызды ірі биомолекулалар класы.

Нуклеин қышқылдары – барлық жасушалар мен вирустардағы маңызды ірі биомолекулалар. Олар нуклеотидтерден тұрады, олар мономерлік құралымдар: 5 көміртегілі қант, фосфат тобы және азотты негіз. Нуклеин қышқылдарының екі негізгі класы – дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНК) және рибонуклеин қышқылы (РНК). Егер қант рибоза болса, полимер РНК; егер қант дезоксирибоза болса, рибозаның бір түрі, полимер ДНК болады. Нуклеин қышқылдары – табиғатта кездесетін химиялық қосылыстар. Олар жасушаларда ақпаратты тасиды және генетикалық материалды құрайды. Бұл қышқылдар барлық тірі организмдерде кең таралған, Жер бетіндегі тіршілік түрлерінің әрбір тірі жасушасында ақпаратты құрастырып, кодтайды және сақтайды. Олар өз кезегінде жасуша ядросының ішінде де, сыртында да осы ақпаратты жіберіп, көрсетеді. Жасушаның ішкі жұмысынан бастап, тірі ағзаның ұрпақтарына дейін, нуклеин қышқылының тізбегі арқылы ақпаратты қамтиды және жеткізеді. Бұл РНК мен ДНК молекулаларындағы нуклеотидтердің "баспалдақ сатысының" ретін анықтайды. Екеуі де ақуыз синтезін бақылауда маңызды рөл атқарады. Нуклеотидтер тізбектері спиральді омыртқаны құрап, бес негізгі немесе каноникалық нуклеобазадан таңдалған негіздер немесе негіз жұптарының тізбектеріне жиналады. РНК көбінесе бір негізді тізбек құраса, ДНК негіз жұптарының тізбегін құрайды. РНК мен ДНК-да кездесетін негіздер: аденин, цитозин, гуанин, тимин және урацил. Тимин тек ДНК-да, ал урацил тек РНК-да кездеседі. Аминқышқылдары мен ақуыз синтезін пайдалана отырып, ДНК-дағы осы нуклеобазалық жұптардың нақты тізбегі кодталған нұсқауларды гендер ретінде сақтауға және жіберуге көмектеседі. РНК-да негіз жұптарының тізбегі барлық тіршілік формаларының көптеген химиялық процестерін анықтайтын жаңа ақуыздарды жасауға көмектеседі.

Тарих

Нуклеин қышқылын алғаш рет 1869 жылы Фридрих Мишер Германияның Тюбинген университетінде ашқан. Ол оған алғашқы атау ретінде нуклеин деген ат берді. 1880-жылдардың басында Альбрехт Коссель бұл затты тазартуды жалғастырып, оның жоғары қышқылдығын анықтады. Кейіннен ол нуклеотидтерді де анықтады. 1889 жылы Ричард Альтманн нуклеин қышқылы терминін енгізді – сол кезде ДНК мен РНК арасында ешқандай айырмашылық болған жоқ. 1938 жылы Астбери мен Белл ДНК-ның алғашқы рентгендік дифракциялық суретін жариялады. 1944 жылы Эйвери-МакЛеод-МакКарти эксперименті ДНК-ның генетикалық ақпаратты тасымалдаушы екенін көрсетті, ал 1953 жылы Уотсон мен Крик ДНК-ның қос спиральды құрылымын ұсынды. Нуклеин қышқылдарын зерттеу қазіргі заманғы биологиялық және медициналық зерттеулердің маңызды бөлігін құрайды, сонымен қатар геномдық және сот-медициналық ғылымдардың, биотехнология мен фармацевтикалық өнеркәсіптің негізін қалайды.

Орындалуы және номенклатурасы

Нуклеин қышқылы термині ДНК мен РНК-ның, биополимерлер отбасының мүшелерінің жалпы атауы және полинуклеотидпен мағынасы бірдей. Нуклеин қышқылдары алғаш рет ядрода табылғандығы және фосфат топтарының болуы (фосфор қышқылымен байланысты) үшін осылай аталған. Алғаш рет эукариоттық жасушалардың ядросында табылғанмен, нуклеин қышқылдары қазір бактериялар, археялар, митохондриялар, хлоропластар және вирустар сияқты барлық тіршілік нысандарында кездеседі (вирустардың тірі ме, жоқ әлде тірі емес ме деген пікірталас бар). Барлық тірі жасушаларда ДНК және РНК болады (бірақ кейбір жасушаларда, мысалы, жетілген қызыл қан жасушаларында болмайды), ал вирустарда ДНК немесе РНК болады, бірақ көбінесе екеуі де бірге кездеспейді. Биологиялық нуклеин қышқылдарының негізгі құрауышы – нуклеотид, оның әрқайсысы пентоза қанты (рибоза немесе дезоксирибоза), фосфат тобы және нуклеобазадан тұрады. Нуклеин қышқылдары зертханада ферменттер (ДНК және РНК полимеразалар) арқылы, сондай-ақ қатты фазалық химиялық синтез арқылы да жасалады.

Молекулалық құрамы мен мөлшері

Нуклеин қышқылдары әдетте өте үлкен молекулалар болып табылады. Шындығында, ДНҚ молекулалары белгілі ең ірі жеке молекулалар болып саналады. Жақсы зерттелген биологиялық нуклеин қышқылының молекулаларының мөлшері 21 нуклеотидтен (кішкентай интерференциялық РНК) үлкен хромосомаларға дейін (адамның 1-ші хромосомасы 247 миллион негіз жұбын қамтитын бір молекула) ауытқиды. Көп жағдайда табиғи ДНҚ молекулалары екі жіпті, ал РНҚ молекулалары бір жіпті болады. Дегенмен, көптеген ерекшеліктер бар – кейбір вирустардың геномдары екі жіпті РНК-дан, ал басқалары бір жіпті ДНК-дан тұрады, сондай-ақ кейбір жағдайларда үш немесе төрт жіпті нуклеин қышқылы құрылымдары пайда болуы мүмкін. Нуклеин қышқылдары – нуклеотидтердің тізбекті полимерлері (тізбектері). Әр нуклеотид үш құрамдас бөліктен тұрады: пурин немесе пиримидин нуклеобазасы (кейде азотты негіз немесе жай ғана негіз деп аталады), пентоза қанты және молекуланы қышқылды ететін фосфат тобы. Нуклеобаза мен қанттан тұратын құрылымдық бөлік нуклеозид деп аталады. Нуклеин қышқылының түрлері нуклеотидтеріндегі қанттың құрылымымен ерекшеленеді – ДНҚ-да 2'-дезоксирибоза, ал РНҚ-да рибоза болады (олардың арасындағы жалғыз айырмашылық гидроксил тобының болуы). Сонымен қатар, екі нуклеин қышқылының түрінде кездесетін нуклеобазалар әртүрлі: аденин, цитозин және гуанин РНК мен ДНҚ-да кездеседі, ал тимин ДНҚ-да, ал урацил РНК-да кездеседі. Нуклеин қышқылының қанты мен фосфаттары фосфодиэстер байланыстары арқылы бір-бірімен кезектесіп орналасқан тізбекте (қант-фосфат тірегі) байланысады. Қолданыстағы номенклатура бойынша, фосфат топтары қосылатын көміртектер қанттың 3'- және 5'- көміртектері болып табылады. Бұл нуклеин қышқылына бағыттылық береді, ал нуклеин қышқылы молекулаларының ұштары 5'-ұшы және 3'-ұшы деп аталады. Нуклеобазалар қанттармен N-гликозидтік байланыс арқылы қосылады, онда нуклеобаза сақинасының азоты (пиримидиндер үшін N1 және пуриндер үшін N9) және пентоза қант сақинасының 1'-көміртегі қатысады. Стандартты емес нуклеозидтер де РНК мен ДНҚ-да кездеседі және әдетте ДНҚ молекуласындағы стандартты нуклеозидтердің немесе бастапқы (алғашқы) РНК транскриптінің өзгеруінен пайда болады. Трансферлік РНК (тРНК) молекулаларында модификацияланған нуклеозидтердің саны ерекше көп.

Nucleic acids are generally very large molecules. Indeed, DNA molecules are probably the largest individual molecules known. Well studied biological nucleic acid molecules range in size from 21 nucleotides (small interfering RNA) to large chromosomes (human chromosome 1 is a single molecule that contains 247 million base pairs). In most cases, naturally occurring DNA molecules are double stranded and RNA molecules are single stranded. There are numerous exceptions, however—some viruses have genomes made of double stranded RNA and other viruses have single stranded DNA genomes, and, in some circumstances, nucleic acid structures with three or four strands can form. Nucleic acids are linear polymers (chains) of nucleotides. Each nucleotide consists of three components: a purine or pyrimidine nucleobase (sometimes termed nitrogenous base or simply base), a pentose sugar, and a phosphate group which makes the molecule acidic. The substructure consisting of a nucleobase plus sugar is termed a nucleoside. Nucleic acid types differ in the structure of the sugar in their nucleotides–DNA contains 2' deoxyribose while RNA contains ribose (where the only difference is the presence of a hydroxyl group). Also, the nucleobases found in the two nucleic acid types are different: adenine, cytosine, and guanine are found in both RNA and DNA, while thymine occurs in DNA and uracil occurs in RNA. The sugars and phosphates in nucleic acids are connected to each other in an alternating chain (sugar phosphate backbone) through phosphodiester linkages. In conventional nomenclature, the carbons to which the phosphate groups attach are the 3' end and the 5' end carbons of the sugar. This gives nucleic acids directionality, and the ends of nucleic acid molecules are referred to as 5' end and 3' end. The nucleobases are joined to the sugars via an N glycosidic linkage involving a nucleobase ring nitrogen (N 1 for pyrimidines and N 9 for purines) and the 1' carbon of the pentose sugar ring. Non standard nucleosides are also found in both RNA and DNA and usually arise from modification of the standard nucleosides within the DNA molecule or the primary (initial) RNA transcript. Transfer RNA (tRNA) molecules contain a particularly large number of modified nucleosides.

Топология

Екі тізбекті нуклеин қышқылдары толықтыратын тізбектерден құралған, онда кең таралған Уотсон-Крик негіздерінің жұптасуы өте қайталамалы және біркелкі нуклеин қышқылының екі спиральды үш өлшемді құрылымын қалыптастырады. Керісінше, бір тізбекті РНҚ және ДНҚ молекулалары тұрақты екі спиральмен шектелмейді және Ватсон-Крик және канондық емес негіздер жұптарын қоса алғанда, молекулаішілік негіздер жұптасқан қысқа тізбектерге және күрделі үшіншілік өзара әрекеттесулердің кең ауқымына негізделген өте күрделі үш өлшемді құрылымдарды қабылдай алады. Нуклеин қышқылы молекулалары әдетте тармақталмайды және сызықтық және дөңгелек молекулалар түрінде кездесе алады. Мысалы, бактериялық хромосомалар, плазмидтер, митохондриялық ДНҚ және хлоропласт ДНҚ әдетте дөңгелек екі тізбекті ДНҚ молекулалары болып табылады, ал эукариот ядросының хромосомалары әдетте сызықтық екі тізбекті ДНҚ молекулалары болып табылады. Екі тізбекті ДНҚ молекуласындағы пиримидиндердің жалпы саны пуриндердің жалпы санына тең. Спиральдің диаметрі шамамен 20 Å құрайды.

Тізбелер

Бір ДНК немесе РНК молекуласы екіншісінен негізінен нуклеотидтердің тізбегімен ерекшеленеді. Нуклеотидтік тізбектер биологияда зор маңызға ие, себебі олар барлық биологиялық молекулаларды, молекулалық жиынтықтарды, субклеткалық және жасушалық құрылымдарды, органдар мен организмдерді кодтайтын соңғы нұсқауларды камтиды, сондай-ақ таным, жад және мінез-құлықты тікелей қамтамасыз етеді. Биологиялық ДНҚ және РНК молекулаларының нуклеотидтік тізбегін анықтау үшін экспериментальдық әдістерді дамытуға үлкен күш-жігер жұмсалды, және бүгінде әлемнің геномдық орталықтарында және кішігірім зертханаларда күн сайын жүздеген миллион нуклеотидтер тізбектеледі. GenBank нуклеин қышқылының тізбегінің дерекқорын ұстаумен қатар, Ұлттық биотехнологиялық ақпарат орталығы (NCBI) GenBank-тағы деректерге және NCBI веб-сайты арқылы қолжетімді басқа да биологиялық деректерге қатысты талдау және іздеу ресурстарын ұсынады.

Дезоксирибонуклеин қышқылы

Дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНК) – барлық белгілі тірі организмдердің дамуы мен қызмет етуіне қажетті генетикалық нұсқауларды қамтитын нуклеин қышқылы. ДНК химиялық түрі 1869 жылы ашылған, бірақ оның генетикалық мұрагерліктегі ролі 1943 жылға дейін дәлелденбеген. Бұл генетикалық ақпаратты таситын ДНК сегменттері гендер деп аталады. ДНК-ның басқа тізбектері құрылымдық мақсаттарға қызмет етеді немесе осы генетикалық ақпаратты пайдалануды реттеуге қатысады. РНК және белоктармен бірге ДНК – барлық белгілі тіршілік нысандары үшін өте маңызды үш негізгі макромолекуланың бірі. ДНК нуклеотидтер деп аталатын мономерлік бірліктерден тұратын екі ұзын полимерден құралған, олардың тірекшесі қант пен фосфат топтарынан тұрады және эфирлік байланыстармен біріктірілген. Бұл екі тізбек бір-біріне қарама-қарсы бағытта орналасқан, сондықтан олар антипараллель. Әрбір қантқа нуклеобазалар (жай тілде – базалар) деп аталатын төрт түрлі молекуланың бірі бекітілген. Осы төрт нуклеобазаның тірекше бойымен орналасуы генетикалық ақпаратты кодтайды. Бұл ақпарат ақуыздар ішіндегі аминқышқылдарының реттілігін генетикалық кодқа сәйкес анықтайды. Кодты оқу үшін ДНК-ның бөліктері көшіріліп, байланысты нуклеин қышқылы РНК-ға транскрипцияланады. Жасушалар ішінде ДНК хромосомалар деп аталатын ұзын тізбектерге ұйымдастырылған. Жасуша бөліну кезінде бұл хромосомалар ДНК репликациясы процесінде көбейтіліп, әр жасушаға толық хромосома жиынтығын қамтамасыз етеді. Эукариоттық организмдер (жануарлар, өсімдіктер, саңырауқұлақтар және протостар) ДНК-ның көп бөлігін жасуша ядросының ішінде, ал қалғанын митохондриялар немесе хлоропластар сияқты органеллаларда сақтайды. Ал прокариоттар (бактериялар және археялар) ДНК-сын тек цитоплазмада сақтайды. Хромосомалардың ішінде хроматин ақуыздары, мысалы, гистондар, ДНК-ны ықшамдап, ұйымдастырады. Бұл ықшам құрылымдар ДНК мен басқа белоктар арасындағы өзара әрекеттесуді бақылап, ДНК-ның қай бөлігі транскрипцияланатынын анықтауға көмектеседі.

Рибонуклеин қышқылы

Рибонуклеин қышқылы (РНК) гендердегі генетикалық ақпаратты ақуыздың аминокислоталық тізбектеріне түрлендіруде қызмет етеді. РНК-ның үш әмбебап түріне трансферлік РНК (tRNA), хабаршы РНК (mRNA) және рибосомалық РНК (rRNA) жатады. Хабаршы РНК ДНК мен рибосомалар арасында генетикалық тізбек ақпаратын тасымалдайды, ақуыз синтезін бағыттайды және ядродағы ДНК-дан рибосомаға нұсқауларды жеткізеді. Рибосомалық РНК ДНК тізбегін оқиды және пептидтік байланыс түзгенді катализдейді. Трансферлік РНК ақуыз синтезінде қолданылатын аминқышқылдарын тасымалдайтын молекула болып табылады және мРНК-ны декодтауға жауапты. Сонымен қатар, қазіргі кезде РНК-ның көптеген басқа да кластары белгілі.

Жасанды нуклеин қышқылы

Жасанды нуклеин қышқылының аналогтары жобаланып, синтезделді. Оларға пептидтік нуклеин қышқылы, морфолино, бұғатталған нуклеин қышқылы, гликоль нуклеин қышқылы және треоза нуклеин қышқылы кіреді. Бұл аналогтардың әрқайсысы табиғи ДНҚ немесе РНК-дан молекуланың негізгі тізбегіндегі өзгерістермен ерекшеленеді.