НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ФУНКЦІЇ, БУДОВА - БІОЛОГІЯ - 2025

Ці нуклеїнові кислоти є великі біомолекули , утворені одиницями або мономерів , званих нуклеотидами. Вони відповідають за зберігання та передачу генетичної інформації. Вони також беруть участь у кожному з етапів синтезу білка.

Структурно кожен нуклеотид складається з фосфатної групи, п'ятивуглецевого цукру та гетероциклічної основи азоту (A, T, C, G і U). При фізіологічному рН нуклеїнові кислоти негативно заряджаються, розчиняються у воді, утворюють в’язкі розчини та досить стійкі.

Джерело: pixabay.com

Існує два основних типи нуклеїнових кислот: ДНК і РНК. Склад обох нуклеїнових кислот подібний: в обох ми знаходимо ряд нуклеотидів, пов'язаних фосфодіефірними зв’язками. Однак у ДНК ми знаходимо тимін (Т) та РНК урацил (U).

ДНК довша і знаходиться в подвійній спіральній конформації, а РНК складається з однієї ланцюга. Ці молекули присутні у всіх живих організмах, від вірусів до великих ссавців.

Історична перспектива

Відкриття нуклеїнових кислот

Відкриття нуклеїнових кислот відноситься до 1869 року, коли Фрідріх Мішер ідентифікував хроматин. У своїх експериментах Мішер витяг з ядра желеподібний матеріал і виявив, що ця речовина багата фосфором.

Спочатку матеріал загадкового характеру позначався як «нуклеїн». Пізніші експерименти з нуклеїном дійшли висновку, що він багатий не тільки фосфором, але й вуглеводами та органічними основами.

Феб Левене виявив, що нуклеїн є лінійним полімером. Хоча основні хімічні властивості нуклеїнових кислот були відомі, не вважалося, що між цим полімером і спадковим матеріалом живого існував зв’язок.

Відкриття функції ДНК

У середині 40-х років для біологів того часу не було переконливим, що молекула, відповідальна за передачу та зберігання інформації про організм, мешкала в молекулі з такою простою, як ДНК, що складається з чотирьох дуже схожих мономерів (нуклеотидів) кожен.

Білки, полімери, що складаються з 20 видів амінокислот, здавались у той час найбільш правдоподібними кандидатами молекулою спадковості.

Ця думка змінилася в 1928 році, коли дослідник Фред Гріффіт підозрював, що нуклеїн бере участь у спадковості. Нарешті, в 1944 році Освальду Евері вдалося зробити висновок про надійні докази того, що ДНК містить генетичну інформацію.

Таким чином, ДНК перейшла від нудної та монотонної молекули, складеної лише з чотирьох будівельних блоків, до молекули, яка дозволяє зберігати величезну кількість інформації, яка може зберігати та передавати її точно, точно та ефективно.

Відкриття структури ДНК

1953 рік був революційним для біологічних наук, оскільки дослідники Джеймс Уотсон та Френсіс Крік з'ясували правильну структуру ДНК.

На підставі аналізу рентгенівських моделей відбиття, результати Уотсона та Крика припустили, що молекула є подвійною спіраллю, де фосфатні групи утворюють зовнішню основу, а основи виступають у внутрішній.

Зазвичай використовується аналогія сходів, де поручні відповідають фосфатним групам, а перекладинам - до основ.

Відкриття послідовності ДНК

В останні два десятиліття відбувся надзвичайний прогрес у біології на чолі з послідовністю ДНК. Завдяки технологічному прогресу, сьогодні у нас є необхідна технологія, щоб знати послідовність ДНК з досить високою точністю - під "послідовністю" ми маємо на увазі порядок підстав.

Спочатку з'ясування послідовності було дорогою подією і потребувало тривалого часу. В даний час не проблема знати послідовність цілих геномів.

характеристики

Заряд і розчинність

Як випливає з назви, природа нуклеїнових кислот кисла, і вони є молекулами з високою розчинністю у воді; тобто вони гідрофільні. При фізіологічному рН молекула заряджається негативно, через наявність фосфатних груп.

Як наслідок цього, білки, з якими асоціюється ДНК, багаті залишками амінокислот із позитивними зарядами. Правильна асоціація ДНК має вирішальне значення для її упаковки в клітини.

В'язкість

В'язкість нуклеїнової кислоти залежить від того, подвійна вона або односмугова. Двосмугова ДНК утворює розчини високої в'язкості, оскільки її структура жорстка, протистояча деформації. Крім того, вони є надзвичайно довгими молекулами по відношенню до їх діаметра.

Навпаки, існують також односмугові розчини нуклеїнових кислот, які характеризуються низькою в'язкістю.

Стабільність

Ще одна характеристика нуклеїнових кислот - їх стабільність. Природно, що молекула з таким незамінним завданням, як зберігання спадщини, повинна бути дуже стабільною.

Порівняно, ДНК є більш стійкою, ніж РНК, оскільки їй не вистачає гідроксильної групи.

Можливо, що ця хімічна характеристика зіграла важливу роль в еволюції нуклеїнових кислот і у виборі ДНК як спадкового матеріалу.

Відповідно до гіпотетичних переходів, запропонованих деякими авторами, РНК була замінена ДНК в еволюційному процесі. Однак сьогодні є деякі віруси, які використовують РНК як генетичний матеріал.

Поглинання ультрафіолетового світла

Поглинання нуклеїнових кислот також залежить від того, чи це дводіапазонна або однодіапазонна. Пік поглинання кілець у їх структурі становить 260 нанометрів (нм).

По мірі того, як двосмуговий ланцюг ДНК починає відокремлюватися, поглинання на згаданій довжині хвилі збільшується, оскільки кільця, що складають нуклеотиди, піддаються впливу.

Цей параметр важливий для молекулярних біологів у лабораторії, оскільки вимірюючи поглинання, вони можуть оцінити кількість ДНК, яка існує в їхніх зразках. В цілому знання про властивості ДНК сприяє її очищенню та обробці в лабораторіях.

Класифікація (типи)

Дві основні нуклеїнові кислоти - це ДНК та РНК. Обидва є складовими всього живого. ДНК означає дезоксирибонуклеїнову кислоту, а РНК - рибонуклеїнову кислоту. Обидві молекули відіграють фундаментальну роль у спадковості та синтезі білка.

ДНК - це молекула, яка зберігає всю інформацію, необхідну для розвитку організму, і групується у функціональні одиниці, які називаються генами. РНК відповідає за прийняття цієї інформації і разом з білковими комплексами переводить інформацію з ланцюга нуклеотидів у ланцюг амінокислот.

Нитки РНК можуть бути довжиною в кілька сотень або декількох тисяч нуклеотидів, тоді як нитки ДНК перевищують мільйони нуклеотидів і можуть бути візуалізовані під світлом оптичного мікроскопа, якщо їх забарвити барвниками.

Основні структурні відмінності обох молекул будуть детально описані в наступному розділі.

РНК

У клітинах є різні типи РНК, які спільно працюють на оркестрацію синтезу білка. Три основні типи РНК - це месенджер, рибосома та передача.

Месенджер РНК

РНК месенджера відповідає за копіювання повідомлення, яке існує в ДНК, і транспортування його до синтезу білка, який відбувається в структурах, званих рибосомами.

Рибосомальна або рибосомальна РНК

Рибосомальна РНК є частиною цього важливого механізму: рибосоми. З рибосоми 60% складається з РНК рибосоми, а решта зайнята майже 80 різними білками.

Передача РНК

Трансферна РНК - це різновид молекулярного адаптера, який транспортує амінокислоти (будівельні блоки білків) до рибосоми, яку потрібно включити.

Мала РНК

Крім цих трьох основних типів, нещодавно було виявлено ряд додаткових РНК, які відіграють важливу роль у синтезі білка та експресії генів.

Невеликі ядерні РНК, скорочені як snRNA, беруть участь як каталітичні утворення в сплайсінгу (процесі, який складається з видалення інтронів) месенджерної РНК.

Дрібні нуклеолярні РНК або сноРНК беруть участь в обробці пре-рибосомних транскриптів РНК, що входять до складу субодиниці рибосоми. Це відбувається в ядерці.

Короткі інтерферуючі РНК та мікроРНК - це невеликі послідовності РНК, основна роль яких - модуляція експресії генів. МікроРНК кодуються з ДНК, але їх переклад на білки не триває. Вони є одноланцюговими і можуть доповнювати повідомлення РНК, гальмуючи її трансляцію в білки.

Структура та хімічний склад

Нуклеїнові кислоти - це довгі полімерні ланцюги, що складаються з мономерних одиниць, званих нуклеотидами. Кожен складається з:

Фосфатна група

Існує чотири типи нуклеотидів і вони мають загальну структуру: фосфатна група, пов'язана з пентозою через фосфодіефірний зв’язок. Наявність фосфатів надає молекулі кислотний характер. Фосфатна група дисоціюється при рН клітини, тому вона заряджається негативно.

Цей негативний заряд дозволяє асоціювати нуклеїнові кислоти з молекулами, заряд яких позитивний.

Невелика кількість нуклеозидів може знаходитися всередині клітин, а також у позаклітинних рідинах. Це молекули, що складаються з усіх компонентів нуклеотиду, але в яких відсутні фосфатні групи.

Відповідно до цієї номенклатури, нуклеотид - це нуклеозид, який має одну, дві або три фосфатні групи, етерифіковані в гідроксилі, розташованому на 5 'вуглецю. Нуклеозиди з трьома фосфатами беруть участь у синтезі нуклеїнових кислот, хоча вони виконують і інші функції в клітині.

Пентоза

Пентоза - це мономерний вуглевод, що складається з п'яти атомів вуглецю. У ДНК пентоза є дезоксирибозою, яка характеризується втратою гідроксильної групи на вуглеці 2 '. У РНК пентоза - це рибоза.

Азотиста основа

Пентоза в свою чергу пов'язана з органічною основою. Ідентичність нуклеотиду забезпечується ідентичністю підстави. Існує п’ять типів, скорочених їх ініціалами: аденін (А), гуанін (G), цитозин (C), тимін (T) та урацил (U).

У літературі часто зустрічається те, що ці п’ять літер використовуються для позначення всього нуклеотиду. Однак, строго кажучи, це лише частина нуклеотиду.

Перші три, A, G і C, є спільними як для ДНК, так і для РНК. Тоді як Т унікальний для ДНК, а урацил обмежений молекулою РНК.

Структурно основи - це гетероциклічні хімічні сполуки, кільця яких складаються з молекул вуглецю та азоту. A і G утворені парою зрощених кілець і належать до групи пуринів. Решта основ належать до піримідинів і їх структура складається з єдиного кільця.

Загальноприйнято, що в обох типах нуклеїнових кислот ми знаходимо ряд модифікованих основ, таких як додаткова метильна група.

Коли ця подія відбувається, ми говоримо, що основа метильована. У прокаріотів зазвичай зустрічаються метильовані аденіни, а в обох прокаріоти і еукаріоти цитозини можуть мати додаткову метилову групу.

Як відбувається полімеризація?

Як ми вже згадували, нуклеїнові кислоти - це довгі ланцюги, що складаються з мономерів - нуклеотидів. Для формування ланцюгів вони пов'язані певним чином.

Коли нуклеотиди полімеризуються, гідроксильна група (-OH), яка знаходиться на 3 'вуглеці цукру одного з нуклеотидів, утворює ефірну зв'язок з фосфатною групою з іншої молекули нуклеотидів. Під час утворення цього зв’язку відбувається видалення молекули води.

Цей тип реакції називається "реакцією конденсації", і він дуже схожий на той, що виникає, коли пептидні зв'язки в білках утворюються між двома залишками амінокислот. Зв’язки між кожною парою нуклеотидів називаються фосфодіефірними зв’язками.

Як і у поліпептидів, ланцюги нуклеїнових кислот мають дві хімічні орієнтації на своїх кінцях: один - 5 'кінець, який містить вільну гідроксильну групу або фосфатну групу на 5' вуглеці кінцевого цукру, тоді як на 3 кінці «Ми знаходимо вільну гідроксильну групу вуглецю 3».

Давайте уявимо, що кожен блок ДНК - це набір Лего, з одним кінцем, який вставлений, і з вільним отвором, де може відбуватися вставка іншого блоку. 5 'кінець з фосфатом буде кінцем, який потрібно вставити, а 3' аналогічно вільному отвору.

Інші нуклеотиди

У клітині ми знаходимо інший тип нуклеотидів з іншою структурою, ніж зазначений вище. Хоча вони не входять до складу нуклеїнових кислот, вони відіграють дуже важливу біологічну роль.

Серед найбільш релевантних у нас є мононуклеотид рибофлавіну, відомий як FMN, коензим А, аденіновий динуклеотид та нікотинамін, серед інших.

Структура РНК

Лінійна структура полімеру нуклеїнової кислоти відповідає первинній структурі цих молекул. Полінуклеотиди також мають здатність утворювати тривимірні масиви, стабілізовані нековалентними силами - подібно до складчастості, виявленої в білках.

Хоча первинний склад ДНК і РНК досить схожий (за винятком зазначених вище відмінностей), склад їх структури помітно відрізняється. РНК зазвичай зустрічаються як єдиний нуклеотидний ланцюг, хоча він може приймати різні положення.

Наприклад, переносні РНК - це невеликі молекули, що складаються з менш ніж 100 нуклеотидів. Його типова вторинна будова має форму конюшини з трьома руками. Тобто молекула РНК знаходить взаємодоповнюючі основи всередині і може скластись на себе.

Рибосомальні РНК - це більші молекули, які приймають складні тривимірні конформації та мають вторинну та третинну структуру.

Структура ДНК

Подвійна спіраль

На відміну від лінійної РНК, розташування ДНК складається з двох переплетених ниток. Ця структурна відмінність має вирішальне значення для виконання його специфічних функцій. РНК не здатна формувати спіралі цього типу через стеричні перешкоди, накладені додатковою ОН-групою, яку представляє її цукор.

Основи взаємодоповнення

Між базами існує взаємодоповнюваність. Тобто, як наслідок їх розмірів, форми та хімічного складу, пурини повинні з'єднуватися з піримідином через водневі зв’язки. З цієї причини в природній ДНК ми виявляємо, що А майже завжди в парі з Т і G з С, утворюючи водневі зв’язки зі своїми партнерами.

Пари основ між G і C пов'язані трьома водневими зв’язками, тоді як пари A і T слабкіші, і лише два водневі зв’язки тримають їх разом.

Нитки ДНК можна розділити (це відбувається як в клітині, так і в лабораторних процедурах), а необхідне тепло залежить від кількості GC в молекулі: чим вона більша, тим більше енергії потрібно для її відокремлення.

Орієнтація пасма

Ще одна характеристика ДНК - її протилежна орієнтація: поки ланцюжок біжить у напрямку 5'-3 ', її партнер біжить у напрямку 3'-5'.

Природні конформації та в лабораторії

Структуру або конформацію, яку ми зазвичай знаходимо в природі, називають ДНК В. Для цього характерно наявність 10,4 нуклеотидів на кожен виток, розділених на відстань 3,4. ДНК Б повертається праворуч.

Цей звивистий візерунок призводить до появи двох борозен, однієї більшої та однієї меншої.

У нуклеїнових кислотах, що утворюються в лабораторії (синтетичні), можуть бути знайдені інші конформації, які також з'являються в дуже специфічних умовах. Це ДНК А та ДНК З.

Варіант А також робить поворот праворуч, хоча він коротший і дещо ширший за природний. Молекула приймає таку форму, коли знижується вологість. Він обертається кожні 11 пар основ.

Останній варіант - це Z, що характеризується вузькістю і поворотом вліво. Він утворений групою гексануклеотидів, які згруповані в дуплекс антипаралельних ланцюгів.

Особливості

ДНК: молекула спадковості

ДНК - це молекула, яка може зберігати інформацію. Життя, як ми його знаємо на нашій планеті, залежить від здатності зберігати та перекладати таку інформацію.

Для клітини ДНК - це своєрідна бібліотека, де знаходяться всі необхідні вказівки щодо виготовлення, розвитку та утримання живого організму.

У молекулі ДНК ми знаходимо організацію дискретних функціональних утворень, які називаються генами. Частина з них переноситься на білки, а інші будуть виконувати регуляторні функції.

Структура ДНК, яку ми описали в попередньому розділі, є ключовою для виконання її функцій. Спіраль повинна вміти легко відокремлюватися та з'єднуватися - ключова властивість для подій реплікації та транскрипції.

ДНК знаходиться у прокаріотів на певному місці їх цитоплазми, тоді як у еукаріотів він знаходиться в межах ядра.

РНК: багатофункціональна молекула

Роль у синтезі білка

РНК - це нуклеїнова кислота, яку ми знаходимо на різних стадіях синтезу білка та в регуляції експресії генів.

Синтез білка починається з транскрипції зашифрованого повідомлення в ДНК в молекулу РНК-повідомлення. Далі месенджер повинен усунути частини, які не будуть перекладені, відомі під назвою інтронів.

Для перекладу повідомлення РНК до залишків амінокислот необхідні два додаткові компоненти: рибосомальна РНК, що входить до складу рибосом, і переносна РНК, яка буде нести амінокислоти і відповідатиме за введення правильної амінокислоти в пептидний ланцюг. У навчанні.

Іншими словами, кожен основний тип РНК відіграє критичну роль у цьому процесі. Цей перехід від ДНК до месенджерної РНК і нарешті до білків - це те, що біологи називають "центральною догмою біології".

Однак, оскільки наука не може базуватися на догмах, є різні випадки, коли ця передумова не виконується, наприклад ретровіруси.

Роль у регулюванні

Згадані вище малі РНК опосередковано беруть участь у синтезі, оркеструють синтез месенджерної РНК та беруть участь у регуляції експресії.

Наприклад, у клітині є різні месенджерні РНК, які регулюються малими РНК, які мають послідовність, яка доповнює цю. Якщо невелика РНК приєднується до повідомлення, вона може розщепити месенджер, тим самим запобігаючи його трансляції. Є кілька процесів, які регулюються таким чином.

Список літератури

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Основна клітинна біологія. Гарленд Наука.
2. Берг, Дж. М., Тимочко, Дж. Л., Стриєр, Л. (2002). Біохімія. 5-е видання. WH Freeman.
3. Cooper, GM, & Hausman, RE (2000). Клітина: Молекулярний підхід. Sinauer Associates.
4. Кертіс, Х. та Барнс, штат Нью-Йорк (1994). Запрошення до біології. Макміллан.
5. Фієро, А. (2001). Коротка історія відкриття структури ДНК. Преподобна Мед Клініка Лас Кондес, 20, 71-75.
6. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Походження та еволюція механізмів реплікації ДНК та ДНК. В: База біологічних наук Мадам Кюрі. Остін (Техас): біологічна наука Ландеса.
7. Карп, Г. (2009). Клітинна та молекулярна біологія: концепції та експерименти. Джон Вілі та сини.
8. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Еволюційний перехід від РНК до ДНК у ранніх клітинах. Журнал молекулярної еволюції, 27 (4), 283-290.
9. Лодіш, Х., Берк, А., Дарнелл, Дж. Е., Кайзер, Каліфорнія, Крігер, М., Скотт, депутат, … і Мацудайра, П. (2008). Молекулярна клітинна біологія. Макміллан.
10. Voet, D., & Voet, JG (2006). Біохімія. Panamerican Medical Ed.
11. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Основи біохімії. Нью-Йорк: Джон Віллі і сини.