Nukleová kyselina

Nukleová kyselina (z latiny  nucleus  - jádro) - vysokomolekulární organická sloučenina, biopolymer (polynukleotid) tvořený nukleotidovými zbytky . Nukleové kyseliny DNA a RNA jsou přítomny v buňkách všech živých organismů a plní nejdůležitější funkce ukládání, přenosu a implementace dědičné informace .

Historie výzkumu

• V roce 1847 byla z extraktu býčí svaloviny izolována látka [1] , která se nazývala „ kyselina inosová “. Tato sloučenina byla prvním nukleotidem , který byl studován . Během následujících desetiletí byly stanoveny podrobnosti o jeho chemické struktuře. Zejména se ukázalo, že kyselina inosinová je 5'-fosfátový ribosid a obsahuje N-glykosidickou vazbu.
• V roce 1868 švýcarský chemik Friedrich Miescher při studiu některých biologických látek objevil dosud neznámou látku. Látka obsahovala fosfor a nebyla degradována proteolytickými enzymy . Měl také výrazné kyselé vlastnosti. Látka byla pojmenována „nuklein“. Sloučenina dostala empirický vzorec C29H49N9022P3 . _ _ _ _ _
• Wilson upozornil na praktickou identitu chemického složení „nukleinu“ a „ chromatinu “ objeveného krátce před tím, hlavní složky chromozomů [2] . Byl předložen předpoklad o zvláštní roli „nukleinu“ při přenosu dědičné informace.
• V roce 1889 zavedl Richard Altmann termín „nukleová kyselina“ a také vyvinul pohodlnou metodu pro získání nukleových kyselin, které neobsahují proteinové nečistoty.
• Levin [en] a Jacob [en] , studující produkty alkalické hydrolýzy nukleových kyselin, identifikovali jejich hlavní složky – nukleotidy a nukleosidy a také navrhli strukturní vzorce, které správně popisují jejich chemické vlastnosti.
• V roce 1921 předložil Lewin hypotézu „tetranukleotidové struktury DNA“ [3] , která se později ukázala jako chybná [4] .
• V roce 1935 provedli Klein a Thanhauser [de] šetrnou fragmentaci DNA pomocí enzymu fosfatázy, v důsledku čehož byly získány čtyři nukleotidy tvořící DNA v krystalickém stavu [5] . To otevřelo nové možnosti pro stanovení struktury těchto sloučenin.
• Ve čtyřicátých letech minulého století vědecká skupina v Cambridge, vedená Alexandrem Toddem , provedla rozsáhlý syntetický výzkum v chemii nukleotidů a nukleosidů, v důsledku čehož byly stanoveny podrobnosti chemické struktury a stereochemie nukleotidů. Za tento cyklus prací získal Alexander Todd v roce 1957 Nobelovu cenu za chemii .
• V roce 1951 Chargaff stanovil pravidelnost v obsahu různých typů nukleotidů v nukleových kyselinách, která se později stala známou jako Chargaffovo pravidlo .
• V roce 1953 Watson a Crick založili sekundární strukturu DNA, dvojitou šroubovici [6] .

Metody výběru

Byla popsána řada technik pro izolaci nukleových kyselin z přírodních zdrojů. Hlavními požadavky na izolační metodu je účinná separace nukleových kyselin od proteinů a také minimální stupeň fragmentace výsledných preparátů. Klasický způsob extrakce DNA byl popsán v roce 1952 a v současnosti se používá bez výraznějších změn [7] . Buněčné stěny zkoumaného biologického materiálu jsou zničeny jednou ze standardních metod a poté ošetřeny aniontovým detergentem . V tomto případě se proteiny vysrážejí a nukleové kyseliny zůstávají ve vodném roztoku. DNA lze gelovat opatrným přidáním ethanolu do fyziologického roztoku. Koncentrace výsledné nukleové kyseliny , stejně jako přítomnost nečistot (proteiny, fenol) se obvykle stanovují spektrofotometricky absorpcí při A 260 nm.

Nukleové kyseliny jsou snadno degradovány speciální třídou enzymů nazývaných nukleázy . V tomto ohledu je při jejich izolaci důležité ošetřit laboratorní vybavení a materiály vhodnými inhibitory . Takže například při izolaci RNA se široce používá takový inhibitor ribonukleáz , jako je DEPC .

Fyzikální vlastnosti

Nukleové kyseliny jsou vysoce rozpustné ve vodě , prakticky nerozpustné v organických rozpouštědlech. Velmi citlivý na teplotu a kritické hodnoty pH . Molekuly DNA s vysokou molekulovou hmotností, izolované z přírodních zdrojů, jsou schopné fragmentace působením mechanických sil, například při míchání roztoku. Nukleové kyseliny jsou fragmentovány enzymy nazývanými nukleázy .

Budova

Polymerní formy nukleových kyselin se nazývají polynukleotidy. Existují čtyři úrovně strukturní organizace nukleových kyselin: primární, sekundární, terciární a kvartérní struktury. Primární strukturou je řetězec nukleotidů spojených zbytkem kyseliny fosforečné (fosfodiesterová vazba). Sekundární strukturou jsou dva řetězce nukleových kyselin spojené vodíkovými vazbami. Stojí za zmínku, že řetězce jsou spojeny způsobem hlava-ocas (3' až 5'), podle principu komplementarity ( nukleobáze jsou umístěny uvnitř této struktury). Terciární struktura neboli šroubovice vzniká díky radikálům dusíkatých bází (vznikají další vodíkové vazby, které tuto strukturu skládají a tím způsobují její pevnost). A konečně, kvartérní struktura jsou komplexy histonů a chromatinových vláken .

Protože v nukleotidech jsou pouze dva typy heterocyklických molekul, ribóza a deoxyribóza, existují pouze dva typy nukleových kyselin - deoxyribonukleová (DNA) a ribonukleová (RNA).

Monomerní formy se také nacházejí v buňkách a hrají důležitou roli v procesech signalizace nebo ukládání energie. Nejznámějším monomerem RNA je ATP , kyselina adenosintrifosforečná, nejdůležitější akumulátor energie v buňce.

DNA a RNA

• DNA ( deoxyribonukleová kyselina ). Cukr - deoxyribóza , dusíkaté báze: purin  - guanin (G), adenin (A), pyrimidin  - thymin (T) a cytosin (C). DNA se často skládá ze dvou polynukleotidových řetězců zaměřených antiparalelně.

• RNA ( ribonukleová kyselina ). Cukr - ribóza , dusíkaté báze: purin - guanin (G), adenin (A), pyrimidin - uracil (U) a cytosin (C). Struktura polynukleotidového řetězce je podobná struktuře DNA. Kvůli vlastnostem ribózy mají molekuly RNA často různé sekundární a terciární struktury, které tvoří komplementární oblasti mezi různými řetězci.

Typy RNA

Matricová ribonukleová kyselina ( mRNA , synonymum - messenger RNA, mRNA ) - RNA obsahující informace o primární struktuře (sekvenci aminokyselin) proteinů [8] . mRNA je syntetizována z DNA během transkripce , po které je zase použita během translace jako templát pro syntézu proteinů. mRNA tedy hraje důležitou roli v "manifestaci" ( expresi ) genů .

Ribozomální ribonukleové kyseliny ( rRNA ) je několik molekul RNA , které tvoří základ ribozomu . Hlavní funkcí rRNA je implementace translačního procesu  – čtení informací z mRNA pomocí adaptorových molekul tRNA a katalyzování tvorby peptidových vazeb mezi aminokyselinami připojenými k tRNA .

Transfer RNA, tRNA  - ribonukleová kyselina , jejíž funkcí je transport aminokyselin do místa syntézy bílkovin . Má typickou délku 73 až 93 nukleotidů a velikost asi 5 nm. tRNA se také přímo podílejí na růstu polypeptidového řetězce, spojují se – jsou v komplexu s aminokyselinou – ke kodonu mRNA a zajišťují konformaci komplexu nezbytného pro vytvoření nové peptidové vazby .

Každá aminokyselina má svou vlastní tRNA.

tRNA je jednovláknová RNA , ale ve své funkční formě má konformaci „jetelového listu“. Aminokyselina je kovalentně připojena ke 3' konci molekuly enzymem aminoacyl-tRNA syntetázou , která je specifická pro každý typ tRNA . Místo C obsahuje antikodon odpovídající aminokyselině.

Nekódující RNA (non-coding RNA, ncRNA) jsou molekuly RNA , které nejsou překládány do proteinů . Dříve používané synonymum , malá RNA (smRNA, malá RNA), se v současné době nepoužívá, protože některé nekódující RNA mohou být velmi velké, jako je Xist .

Sekvence DNA, na kterou jsou transkribovány nekódující RNA, se často označuje jako gen RNA .

Nekódující RNA zahrnují molekuly RNA, které plní velmi důležité funkce v buňce - přenos RNA ( tRNA ), ribozomální RNA ( rRNA ), malé RNA, jako je malá nukleolární RNA ( snoRNA ), mikroRNA , siRNA , piRNA , stejně jako dlouhé non -kódující RNA  - Xist , Evf , Air , CTN , PINK , TUG1 .

Nedávné transkriptomické technologie ( sekvenování RNA ) a techniky DNA microarray naznačují přítomnost více než 30 000 dlouhých nekódujících RNA ( long ncRNA ) .  Přibližně stejné množství malých regulačních RNA je obsaženo v myším genomu.

Poznámky

1. ↑ J. Liebig. ??? (neopr.)  // Annalen. - 1847. - T. 62 . - S. 257 .
2. ↑ Edmund B. Wilson. Atlas oplodnění a karyokineze vajíčka . - N. Y .: Macmillan, 1895. - S. 4.
3. ↑ P.A. Levene. ???  (anglicky)  // J. Biol. Chem.  : deník. - 1921. - Sv. 48 . — S. 119 .
4. ↑ Během nástupu „tetranukleotidové struktury“ byli chemici kritičtí k samotné možnosti existence makromolekul, v důsledku čehož byla DNA přisuzována struktura s nízkou molekulovou hmotností.
5. ↑ W. Klein, S. J. Thannhauser. ??? (neopr.)  // Z. fyziol. Chem.. - 1935. - T. 231 . - S. 96 .
6. ↑ JD Watson, FHC Crick. Molecular Structure of Nucleic Acid: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid  (anglicky)  // Nature . - 1953. - Sv. 171 . - str. 737-738 . - doi : 10.1038/171737a0 .
7. ↑ Ernest RM Kay, Norman S. Simmons, Alexander L. Zlepšená příprava desoxyribonukleátu sodného  //  J. Am. Chem. soc. : deník. - 1952. - Sv. 74 , č. 7 . - S. 1724-1726 . doi : 10.1021 / ja01127a034 .
8. ↑ Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter. Molekulární biologie buňky. - 5. - Garland Science, 2008. - 1392 s. — ISBN 0815341059 .

Literatura

• Barton D., Ollis W. D. Obecná organická chemie. - M .: Chemie, 1986. - T. 10. - S. 32-215. - 704 s.
• Frank-Kamenetsky M. D. Nejdůležitější molekula. — M .: Nauka, 1983. — 160 s.
• Appel B., Beneke I., Benson J., ed. S. Muller. Nukleové kyseliny od A do Z. - M. : Binom, 2012. - 352 s. - ISBN 978-5-9963-0376-2 .

Slovníky a encyklopedie	Velká dánština Velká Katalánština Skvělý norský Velký Rus Brockhaus a Efron Brockhaus a Efron okolo světa Litevský univerzál Nový chorvatský Britannica (online) Brockhaus Treccani Universalis
V bibliografických katalozích BNF : 11980605w GND : 4172117-2 J9U : 987007538635505171 LCCN : sh85093144 NDL : 00564756 NKC : ph115470