Нуклеиновая кислота представляет собой высокомолекулярное органическое соединение, образованное остатками нуклеотидов. Узнайте об истории исследования, способах выделения, физических свойствах и строении нуклеиновых кислот.
Нуклеиновая кислота (от лат. nucleus — ядро) представляет собой высокомолекулярное органическое соединение, биополимер (полинуклеотид), образованный остатками нуклеотидов. Она является неотъемлемой частью клеток всех живых организмов и выполняет важнейшие функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации.
История исследования
Исследование нуклеиновых кислот началось в 1869 году, когда швейцарский биолог Ф. Мишер открыл их присутствие в ядрах лейкоцитов человека. С тех пор было проведено многочисленных исследований, которые позволили раскрыть механизмы соединения нуклеиновых кислот.
Способы выделения
Существует несколько методик выделения нуклеиновых кислот из природных источников. Основными требованиями к этим методам являются эффективное отделение нуклеиновых кислот от белков и минимальная степень фрагментации. Одним из классических методов выделения ДНК является разрушение клеточных стенок биологического материала и обработка полученных образцов анионным детергентом. Белки выпадают в осадок, а нуклеиновые кислоты остаются в водном растворе. Полученная ДНК может быть осаждена в виде геля путем добавления этанола к ее солевому раствору.
Важно отметить, что нуклеиновые кислоты легко деградируют под действием нуклеаз – особых ферментов. Поэтому при выделении нуклеиновых кислот необходимо обработать лабораторное оборудование и материалы ингибиторами нуклеаз, например, DEPC при выделении РНК.
Физические свойства
Нуклеиновые кислоты хорошо растворимы в воде, практически нерастворимы в органических растворителях. Они очень чувствительны к воздействию температуры и уровня pH. Высокомолекулярные молекулы ДНК могут фрагментироваться под действием механических сил, таких как перемешивание раствора. Нуклеиновые кислоты могут также подвергаться фрагментации ферментами — нуклеазами.
Строение
Нуклеиновые кислоты представляют собой полимеры, называемые полинуклеотидами. Они имеют четыре уровня структурной организации – первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры.
Первичная структура нуклеиновых кислот представляет собой цепочки из нуклеотидов, соединенных через остаток фосфорной кислоты (фосфодиэфирная связь). Вторичная структура представляет собой две цепи нуклеиновых кислот, соединенные водородными связями. Цепи соединяются по типу «голова-хвост» (3' к 5') и образуют комплементарные пары (азотистые основания находятся внутри этой структуры).
Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК содержат пять азотистых оснований: аденин, цитозин, гуанин, тимин (только в ДНК) и урацил (только в РНК). Молекулы этих оснований образуют комплементарные пары – аденин соединяется с тимином (в ДНК) или урацилом (в РНК) через две водородные связи, а цитозин соединяется с гуанином через три водородные связи.
Структура нуклеиновых кислот определяет их способность хранить, передавать и реализовывать наследственную информацию. Эти биополимеры играют важную роль в синтезе белков, передаче генетической информации и наследственности организма.
Заключение
Нуклеиновые кислоты являются ключевыми биополимерами, обеспечивающими хранение, передачу и реализацию наследственной информации в клетках всех живых организмов. Они обладают уникальными физическими и химическими свойствами, которые определяют их роль в жизни организмов. Способы выделения и строение нуклеиновых кислот являются объектом интенсивного исследования в настоящее время, что позволяет расширить наши знания о них и их влиянии на жизнедеятельность организмов.
Что нам скажет Википедия?
Нуклеи́новая кислота (от лат. nucleus — ядро) — высокомолекулярное органическое соединение, биополимер (полинуклеотид), образованный остатками нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации.
Описаны многочисленные методики выделения нуклеиновых кислот из природных источников. Основными требованиями, предъявляемыми к методу выделения, являются эффективное отделение нуклеиновых кислот от белков, а также минимальная степень фрагментации полученных препаратов. Классический метод выделения ДНК был описан в 1952 году и используется в настоящее время без значительных изменений. Клеточные стенки исследуемого биологического материала разрушаются одним из стандартных методов, а затем обрабатываются анионным детергентом. При этом белки выпадают в осадок, а нуклеиновые кислоты остаются в водном растворе. ДНК может быть осаждена в виде геля осторожным добавлением этанола к её солевому раствору. Концентрацию полученной нуклеиновой кислоты, а также наличие примесей (белки, фенол) обычно определяют спектрофотометрически по поглощению на А260 нм.
Нуклеиновые кислоты легко деградируют под действием особого класса ферментов — нуклеаз. В связи с этим при их выделении важно обработать лабораторное оборудование и материалы соответствующими ингибиторами. Так, например, при выделении РНК широко используется такой ингибитор рибонуклеаз, как DEPC.
Нуклеиновые кислоты хорошо растворимы в воде, практически нерастворимы в органических растворителях. Очень чувствительны к действию температуры и критическим значениям уровня pH. Молекулы ДНК с высокой молекулярной массой, выделенные из природных источников, способны фрагментироваться под действием механических сил, например, при перемешивании раствора. Нуклеиновые кислоты фрагментируются ферментами — нуклеазами.
Полимерные формы нуклеиновых кислот называют полинуклеотидами. Различают четыре уровня структурной организации нуклеиновых кислот: первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры. Первичная структура представляет собой цепочки из нуклеотидов, соединяющихся через остаток фосфорной кислоты (фосфодиэфирная связь). Вторичная структура — это две цепи нуклеиновых кислот, соединённые водородными связями. Цепи соединяются по типу «голова-хвост» (3' к 5'), по принципу комплементарности (азотистые основания находятся внутри этой структуры). Третичная структура, или же спираль, образуется за счет радикалов азотистых оснований (образуются водородные дополнительные связи, которые и сворачивают эту структуру, тем самым обуславливая её прочность). И, наконец, четвертичная структура — это комплексы гистонов и нитей хроматина.
Поскольку в нуклеотидах существует только два типа гетероциклических молекул, рибоза и дезоксирибоза, то и имеется лишь два вида нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК).
Мономерные формы также встречаются в клетках и играют важную роль в процессах передачи сигналов или запасании энергии. Наиболее известный мономер РНК — АТФ, аденозинтрифосфорная кислота, важнейший аккумулятор энергии в клетке.
Типы РНК:
- Матричная рибонуклеиновая кислота (мРНК, синоним — информационная РНК, иРНК) — РНК, содержащая информацию о первичной структуре (аминокислотной последовательности) белков. мРНК синтезируется на основе ДНК в ходе транскрипции, после чего, в свою очередь, используется в ходе трансляции как матрица для синтеза белков. Тем самым мРНК играет важную роль в «проявлении» (экспрессии) генов.
- Рибосомные рибонуклеиновые кислоты (рРНК) — несколько молекул РНК, составляющих основу рибосомы. Основной функцией рРНК является осуществление процесса трансляции — считывания информации с мРНК при помощи адапторных молекул тРНК и катализ образования пептидных связей между присоединёнными к тРНК аминокислотами.
- Транспортная РНК, тРНК — рибонуклеиновая кислота, функцией которой является транспортировка аминокислот к месту синтеза белка. Имеет типичную длину от 73 до 93 нуклеотидов и размеры около 5 нм. тРНК также принимают непосредственное участие в наращивании полипептидной цепи, присоединяясь — будучи в комплексе с аминокислотой — к кодону мРНК и обеспечивая необходимую для образования новой пептидной связи конформацию комплекса. Для каждой аминокислоты существует своя тРНК. тРНК является одноцепочечной РНК, однако в функциональной форме имеет конформацию «клеверного листа». Аминокислота ковалентно присоединяется к 3'-концу молекулы с помощью специфичного для каждого типа тРНК фермента аминоацил-тРНК-синтетазы. На участке C находится антикодон, соответствующий аминокислоте.
- Некодирующие РНК (non-coding RNA, ncRNA) — это молекулы РНК, которые не транслируются в белки. В число некодирующих РНК входят молекулы РНК, которые выполняют очень важные функции в клетке — транспортные РНК (тРНК), рибосомные РНК (рРНК), такие малые РНК, как малые ядрышковые РНК (snoRNA), микроРНК, siRNA, piRNA, а также длинные некодирующие РНК — Xist, Evf, Air, CTN, PINK, TUG1.
Последовательность ДНК, на которой транскрибируются некодирующие РНК, часто называют РНК-геном.
В число некодирующих РНК входят молекулы РНК, которые выполняют очень важные функции в клетке — транспортные РНК (тРНК), рибосомные РНК (рРНК), такие малые РНК, как малые ядрышковые РНК (snoRNA), микроРНК, siRNA, piRNA, а также длинные некодирующие РНК — Xist, Evf, Air, CTN, PINK, TUG1.
