НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
Нуклеи́новые кисло́ты (от лат. nucleus — ядро) — высокомолекулярные
органические соединения, биополимеры (полинуклеотиды), образованные
остатками нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты ДНК иРНК присутствуют в клетках всех
живых организмов и выполняют важнейшие
функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации.
История исследования
- В 1847 из экстракта мышц быка было выделено[1] вещество, которое получило название «инозиновая кислота». Это соединение стало первым изученным нуклеотидом. В течение последующих десятилетий были установлены детали его химического строения. В частности, было показано, что инозиновая кислота является рибозид-5'-фосфатом, и содержит N-гликозидную связь.
- В 1868 году швейцарским химиком Фридрихом Мишером при изучении некоторых биологических субстанций было открыто неизвестное ранее вещество. Вещество содержало фосфор и не разлагалось под действием протеолитических ферментов. Также оно обладало выраженными кислотными свойствами. Вещество было названо «нуклеином». Соединению была приписана брутто-формула C29H49N9O22P3.
- Уилсон обратил внимание на практическую идентичность химического состава «нуклеина» и открытого незадолго до этого «хроматина» — главного компонента хромосом[2]. Было выдвинуто предположение об особой роли «нуклеина» в передаче наследственной информации.
- В 1889 г Рихард Альтман ввел термин «нуклеиновая кислота», а также разработал удобный способ получения нуклеиновых кислот, не содержащих белковых примесей.
- Левин и Жакоб, изучая продукты щелочного гидролиза нуклеиновых кислот, выделили их основные составляющие — нуклеотиды и нуклеозиды, а также предложили адекватные структурные формулы, описывающие их свойства.
- В 1921 году Левин выдвинул гипотезу «тетрануклеотидной структуры ДНК» [3], оказавшуюся впоследствии ошибочной[4].
- В 1935 году Клейн и Танхаузер с помощью фермента фосфатазы провели мягкое фрагментирование ДНК, в результате чего были получены в кристаллическом состоянии четыре ДНК-образующих нуклеотида[5]. Это открыло новые возможности для установления структуры этих соединений.
- В 1940-е годы научная группа в Кембридже под руководством Александера Тодда проводит широкие синтетические исследования в области химии нуклеотидов и нуклеозидов. В результате их работы были установлены все детали химического строения и стереохимии нуклеотидов. За цикл работ в этой области Александер Тодд был награждён Нобелевской премией в области химии в 1957 году.
- Чаргаффом было установлена закономерность содержания в нуклеиновых кислотах нуклеотидов разных типов, получившая впоследствии название Правило Чаргаффа.
- В 1953 году Уотсоном и Криком установлена вторичная структура ДНК, двойная спираль[6].
Способы выделения
Гелеобразный осадок нуклеиновой
кислоты
Описаны многочисленные методики
выделения нуклеиновых кислот из
природных источников. Основными
требованиями, предъявляемыми к методу
выделения, являются эффективное отделения
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[7]. 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.
Физические свойства
Нуклеиновые кислоты хорошо
растворимы в воде, практически не растворимы
в органических растворителях. Очень чувствительны
к действию температуры и критических
значений 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.
Строение
Фрагмент полимерной цепочки
ДНК
Полимерные формы нуклеиновых
кислот называют полинуклеотидами. Цепочки
из нуклеотидов соединяются через остаток фосфорной кислоты (фосфодиэфирная связь). 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.
ДНК и РНК
- ДНК — Дезоксирибонуклеиновая кислота. Сахар — дезоксирибоза, азотистые основания: пуриновые — гуанин (G), аденин (A), пиримидиновые — тимин (T) ицитозин (C). ДНК часто состоит из двух полинуклеотидных цепей, направленных антипараллельно.
- РНК — Рибонуклеиновая кислота. Сахар — рибоза, азотистые основания: пуриновые — гуанин (G), аденин (A), пиримидиновые урацил (U) и цитозин (C). Структура полинуклеотидной цепочки аналогична таковой в ДНК. Из-за особенностей рибозы молекулы РНК часто имеют различные вторичные и третичные структуры, образуя комплементарные участки между разными цепями.