Нуклеиновые кислоты: структура, функции и история открытия.

Введение

Класс крупных биомолекул, необходимых для всей известной жизни.

Нуклеиновые кислоты – это крупные биомолекулы, имеющие решающее значение для всех клеток и вирусов. Они состоят из нуклеотидов, являющихся мономерными компонентами: пятиуглеродного сахара, фосфатной группы и азотистого основания. Два основных класса нуклеиновых кислот – это дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Если сахар – рибоза, полимер является РНК; если сахар – дезоксирибоза, вариант рибозы, полимер является ДНК. Нуклеиновые кислоты – это химические соединения, встречающиеся в природе. Они несут информацию в клетках и составляют генетический материал. Эти кислоты широко распространены во всех живых организмах, где они создают, кодируют и хранят информацию в каждой живой клетке каждой формы жизни на Земле. В свою очередь, они передают и экспрессируют эту информацию внутри и за пределами клеточного ядра. От внутренних процессов в клетке до развития живого организма, они содержат и предоставляют информацию посредством последовательности нуклеиновых кислот. Это придает РНК и ДНК их характерный «ступенчатый» порядок нуклеотидов в их молекулах. Оба играют ключевую роль в регуляции синтеза белка. Цепи нуклеотидов соединяются, образуя спиральные цепи и собираются в цепочки оснований или пар оснований, выбранных из пяти основных, или канонических, нуклеобаз. РНК обычно образует цепь из отдельных оснований, в то время как ДНК образует цепь из пар оснований. Основания, содержащиеся в РНК и ДНК, включают: аденин, цитозин, гуанин, тимин и урацил. Тимин встречается только в ДНК, а урацил – только в РНК. Используя аминокислоты и синтез белка, специфическая последовательность пар нуклеобаз в ДНК помогает сохранять и передавать закодированные инструкции в виде генов. В РНК секвенирование пар оснований способствует созданию новых белков, которые определяют большинство химических процессов всех форм жизни.

История

Нуклеиновая кислота была впервые обнаружена Фридрихом Мишером в 1869 году в Тюбингенском университете, Германия. Он дал ей первое название – нуклеин. В начале 1880-х годов Альбрехт Коссель дополнительно очистил это вещество и обнаружил его сильнокислые свойства. Позже он также идентифицировал нуклеотидные основания. В 1889 году Ричард Альтманн ввел термин «нуклеиновая кислота» – в то время ДНК и РНК еще не были дифференцированы. В 1938 году Астбери и Белл опубликовали первую картину дифракции рентгеновских лучей ДНК. В 1944 году эксперимент Эйвери–МакЛеода–МакКарти показал, что ДНК является носителем генетической информации, а в 1953 году Уотсон и Крик предложили модель двойной спирали ДНК. Экспериментальные исследования нуклеиновых кислот составляют важную часть современных биологических и медицинских исследований и служат основой для геномики, судебной экспертизы, а также биотехнологической и фармацевтической промышленности.

Появление и номенклатура

Термин нуклеиновая кислота — это общее название для ДНК и РНК, представителей семейства биополимеров, и является синонимом полинуклеотида. Нуклеиновые кислоты получили своё название из-за их первоначального обнаружения в ядре и наличия фосфатных групп (производных фосфорной кислоты). Хотя впервые они были обнаружены в ядре эукариотических клеток, сейчас известно, что нуклеиновые кислоты содержатся во всех формах жизни, включая бактерии, археи, митохондрии, хлоропласты и вирусы (существуют споры относительно того, 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. Основным компонентом биологических нуклеиновых кислот является нуклеотид, каждый из которых состоит из пентозного сахара (рибозы или дезоксирибозы), фосфатной группы и нуклеобазы. Нуклеиновые кислоты также могут быть получены в лаборатории с использованием ферментов (ДНК- и РНК-полимераз) и твердофазного химического синтеза.

Молекулярный состав и размер

Нуклеиновые кислоты, как правило, очень большие молекулы. Действительно, молекулы ДНК, вероятно, являются самыми большими из известных отдельных молекул. Хорошо изученные биологические молекулы нуклеиновых кислот варьируются в размере от 21 нуклеотида (малая интерферирующая РНК) до крупных хромосом (человеческая хромосома 1 – это одна молекула, содержащая 247 миллионов пар оснований). В большинстве случаев, естественно встречающиеся молекулы ДНК являются двухцепочечными, а молекулы РНК – одноцепочечными. Однако существует множество исключений: некоторые вирусы имеют геномы, состоящие из двухцепочечной РНК, а другие – из одноцепочечной ДНК, и в некоторых случаях могут образовываться структуры нуклеиновых кислот с тремя или четырьмя нитями. Нуклеиновые кислоты – это линейные полимеры (цепочки) нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов: пуринового или пиримидинового нуклеобазы (иногда называемой азотистым основанием или просто основанием), пентозного сахара и фосфатной группы, которая придает молекуле кислотные свойства. Подструктура, состоящая из нуклеобазы и сахара, называется нуклеозидом. Типы нуклеиновых кислот различаются по структуре сахара в их нуклеотидах: ДНК содержит 2'-дезоксирибозу, а РНК – рибозу (единственное различие заключается в наличии гидроксильной группы). Кроме того, нуклеобазы, встречающиеся в двух типах нуклеиновых кислот, различны: аденин, цитозин и гуанин содержатся как в РНК, так и в ДНК, в то время как тимин содержится в ДНК, а урацил – в РНК. Сахара и фосфаты в нуклеиновых кислотах соединены друг с другом в чередующейся цепи (сахарно-фосфатный остов) посредством фосфодиэфирных связей. В принятой номенклатуре атомы углерода, к которым присоединяются фосфатные группы, являются 3'- и 5'-углеродами сахара. Это придает нуклеиновым кислотам направленность, и концы молекул нуклеиновой кислоты обозначаются как 5'-конец и 3'-конец. Нуклеобазы соединяются с сахарами посредством N-гликозидной связи, включающей кольцевой азот нуклеобазы (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 в молекуле ДНК или первичного (исходного) РНК-транскрипта. Молекулы транспортной РНК (тРНК) содержат особенно большое количество модифицированных нуклеозидов.

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

Двухцепочечные нуклеиновые кислоты состоят из комплементарных последовательностей, в которых обширное образование пар оснований Уотсона — Крика приводит к высокоповторяющейся и достаточно однородной двойной спиральной трехмерной структуре нуклеиновой кислоты. В отличие от этого, одноцепочечные молекулы РНК и ДНК не ограничены регулярной двойной спиралью и могут формировать сложные трехмерные структуры, основанные на коротких участках внутримолекулярных комплементарных последовательностей, включающих как пары оснований Уотсона — Крика, так и неканонические пары, а также широкий спектр сложных третичных взаимодействий. Молекулы нуклеиновых кислот обычно не ветвятся и могут существовать в виде линейных и циклических молекул. Например, бактериальные хромосомы, плазмиды, митохондриальная ДНК и ДНК хлоропластов обычно представляют собой циклические двухцепочечные молекулы ДНК, в то время как хромосомы ядра эукариотов обычно являются линейными двухцепочечными молекулами ДНК. Общее количество пиримидиновых оснований в двухцепочечной молекуле ДНК равно общему количеству пуриновых оснований. Диаметр спирали составляет около 20 Å.

Последовательность

Одна молекула ДНК или РНК отличается от другой главным образом последовательностью нуклеотидов. Последовательности нуклеотидов имеют огромное значение в биологии, поскольку содержат окончательные инструкции, кодирующие все биологические молекулы, молекулярные комплексы, субклеточные и клеточные структуры, органы и организмы, и непосредственно обуславливают познавательные способности, память и поведение. Значительные усилия были направлены на разработку экспериментальных методов определения последовательности нуклеотидов в биологических молекулах ДНК и РНК, и сегодня сотни миллионов нуклеотидов секвенируются ежедневно в геномных центрах и небольших лабораториях по всему миру. Помимо поддержания базы данных нуклеиновых кислот GenBank, Национальный центр биотехнологической информации (NCBI) предоставляет ресурсы для анализа и извлечения данных из GenBank и других биологических данных, доступных на веб-сайте NCBI.

Дезоксирибонуклеиновая кислота

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — это нуклеиновая кислота, содержащая генетические инструкции, используемые в развитии и функционировании всех известных живых организмов. Химическая природа ДНК была установлена в 1869 году, но её роль в генетическом наследовании была продемонстрирована лишь в 1943 году. Участки ДНК, несущие эту генетическую информацию, называются генами. Другие последовательности ДНК выполняют структурные функции или участвуют в регуляции использования этой генетической информации. Вместе с РНК и белками ДНК является одной из трёх основных макромолекул, необходимых для всех известных форм жизни. ДНК состоит из двух длинных полимеров, образованных мономерными единицами – нуклеотидами, с каркасом, состоящим из сахаров и фосфатных групп, соединенных эфирными связями. Эти две цепи ориентированы в противоположных направлениях друг относительно друга и, следовательно, являются антипараллельными. К каждому сахару присоединен один из четырех типов молекул, называемых нуклеотидными основаниями (неформально – основаниями). Именно последовательность этих четырех нуклеотидных оснований вдоль каркаса кодирует генетическую информацию. Эта информация определяет последовательность аминокислот в белках в соответствии с генетическим кодом. Код считывается путем копирования участков ДНК в родственную 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 своим собственным полным набором хромосом. Эукариотические организмы (животные, растения, грибы и протисты) хранят большую часть своей ДНК внутри клеточного ядра и часть своей ДНК в органеллах, таких как митохондрии или хлоропласты. В отличие от них, прокариоты (бактерии и археи) хранят свою ДНК только в цитоплазме. Внутри хромосом хроматиновые белки, такие как гистоны, компактизируют и организуют ДНК. Эти компактные структуры направляют взаимодействие между ДНК и другими белками, помогая контролировать, какие участки ДНК транскрибируются.

Рибонуклеиновая кислота

Рибонуклеиновая кислота (РНК) выполняет функцию преобразования генетической информации от генов в аминокислотные последовательности белков. Три универсальных типа РНК включают транспортную РНК (тРНК), матричную РНК (мРНК) и рибосомную РНК (рРНК). Матричная РНК служит для переноса генетической информации о последовательности между ДНК и рибосомами, направляя синтез белка и доставляя инструкции от ДНК в ядре к рибосомам. Рибосомная РНК считывает последовательность ДНК и катализирует образование пептидных связей. Транспортная РНК служит молекулой-переносчиком аминокислот, используемых в синтезе белков, и отвечает за декодирование мРНК. Кроме того, в настоящее время известно множество других классов РНК.

Искусственная нуклеиновая кислота

Были разработаны и синтезированы искусственные аналоги нуклеиновых кислот. К ним относятся пептидная нуклеиновая кислота, морфолиновая и замкнутая нуклеиновая кислота, гликольная нуклеиновая кислота и триозовая нуклеиновая кислота. Каждый из этих аналогов отличается от природных ДНК или РНК изменениями в структуре их каркаса.