Нуклеиновые кислоты

Открытие нуклеиновых кислот связано с именем Фридриха Мишера. Свою деятельность он начал с изучения гноя. Из гнойных клеток он получил вещество ядерного происхождения. Вскоре методику Мишера стали применять для выделения нуклеина из тканей.

Впервые термин «нуклеиновые кислоты» был предложен в 1889 году. Нуклеиновыми их стали называть потому, что впервые они были открыты в ядрах клеток (nucleus – «ядро»), а кислотами, так как в их составе есть остатки фосфорной кислоты. Как известно, нуклеиновые кислоты встречаются во всех живых клетках.

Различают два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК).

Позже было доказано, что нуклеиновые кислоты состоят из множества нуклеотидов (от нескольких десятков до сотен миллионов), которые связаны фосфодиэфирными связями, а в состав каждого нуклеотида входит азотистое основание, углевод (пентоза) и остаток фосфорной кислоты.

Азотистое основание может быть пиримидиновое и пуриновое. Пиримидиновые основания являются производными пиримидина, а пуриновые основания – производные пурина. К пиримидинам относятся урацил, тимин, цитозин, к пуринам – аденин, гуанин.  В состав нуклеиновых кислот входят такие моносахариды, как рибоза и дезоксирибоза. Рибоза входит в состав рибонуклеиновой кислоты, а дезоксирибоза – в состав дезоксирибонуклеиновой кислоты. Это отличие ДНК от РНК.

В состав ДНК входят тимин, цитозин, аденин и гуанин, в состав РНК – те же основания, только вместо тимина входит урацил. Это второе отличие ДНК от РНК.

Азотистое основание связывается с углеводом за счет гликозидного гидроксила. Образуется нуклеозид. Нуклеозид, связанный с остатком фосфорной кислоты, называется нуклеотидом.

То есть нуклеиновые кислоты – это биополимеры с относительной молекулярной массой, достигающей 5 · 10⁹. 

Нуклеиновые кислоты имеют различные структуры. Первичная структура нуклеиновых кислот представляет собой чередование нуклеотидов в полимерной цепи.

Вторичная структура ДНК и РНК также различается. В 1953 году была расшифрована вторичная структура ДНК. За это открытие в 1962 году была присуждена Нобелевская премия Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону, Морису Уилкинсу.

То есть РНК представляет собой одинарную цепь полимеров, а ДНК – двойную. Эта двойная спираль ДНК построена по принципу комплементарности: напротив аденинового нуклеотида всегда расположен тиминовый другой полимерной цепи, а напротив гуанинового – цитозиновый нуклеотид. Этот порядок расположения обусловлен водородными связями между нуклеотидами.

ДНК находится в основном в хромосомах (99 %), а также митохондриях и хлоропластах. РНК же входит в состав ядрышек, рибосом, митохондрий, пластид и цитоплазмы. Это ещё одно отличие ДНК от РНК.

ДНК хранит генетическую информацию, которая передаётся из поколения в поколение. В её составе закодирован состав всех белков организма, хотя молекула ДНК не принимает участие в синтезе белка.

Всю эту функцию выполняет и-РНК. Этот процесс состоит из двух стадий. На первой стадии происходит считывание информации, этот процесс называют транскрипцией, а вторая стадия – это синтез белка – трансляция.

Важным свойством ДНК является её способность к самоудвоению – репликации. Если водородные связи между комплементарными основаниями разрываются, то спираль раскручивается, но затем синтезируется новая нить из нужных нуклеотидов. В результате образуется две абсолютно одинаковые молекулы ДНК, в каждой из которых одна нить взята от исходной ДНК, а вторая нить образовалась в результате биосинтеза.

Как получают нуклеиновые кислоты? Нуклеиновые кислоты связаны с белками, образуя нуклеопротеиды. Поэтому для их выделения, необходимо очистить нуклеиновые кислоты от белков. Для этого препараты, содержащие нуклеиновые кислоты, обрабатывают ПАВ и экстрагируют белки фенолом. Очистку и фракционирование нуклеиновых кислот проводятся с помощью ультрацентрифугирования, различных видов жидкостной хроматографии и гель - электрофореза.

Нуклеиновые кислоты хорошо растворимы в воде, практически не растворимы в органических растворителях, очень чувствительны к действию температуры и критических значений уровня pH.

Молекулы ДНК, которые имеют большое значение молекулярной массы, можно разделить на фрагменты механическим способом, например, перемешивания раствор.

Молекулы ДНК – самые крупные молекулы. Молекула ДНК E.coli состоит примерно из 4 000 000 пар нуклеотидов, её относительная масса равна 26 000 000 000. Чтобы записать нуклеотидную последовательность ДНК человека, потребуется около             1 000 000 страниц.

Нуклеиновые кислоты делят на фрагменты такими ферментами, как нуклеазы.

Молекулы РНК химически очень уязвимы. При действии кислот и щелочей фрагменты полимерной цепи легко гидролизуются (Р(О) – О – СН₂) и фрагменты А, У, Г и Ц легко отщепляются. Например, при действии фермента рибонуклеазы можно получить мономерные фрагменты и химически связанные при этом гетероциклы.

Что касается химических свойств ДНК, то в воде эта молекула образует вязкие растворы, при нагревании этих растворов или при действии щелочей двойная спираль распадается на две цепи, которые вновь могут объединиться, если вернуть прежние условия.

В слабой кислотной среде происходит гидролиз ДНК, при этом расщепляются фрагменты Р(О) – О – СН₂ и образуются мономерные, димерные или тримерные кислоты, из которых была построена молекула ДНК.

Что же касается РНК, то по выполняемым ими функциям  различают:

·        информационные РНК (и-РНК)  осуществлляют синтез белка;

·        рибосомные РНК (р-РНК) входят в состав рибосом и выполняют структурную функцию;

·        транспортные РНК (т-РНК) обеспечивают доставку аминокислот к месту синтеза белка – к рибосомам.

В качестве генетического материала РНК входят в состав ряда вирусов. Например, вирусы, вызывающие такие опасные заболевания, как грипп и СПИД, являются РНК-содержащими.

Таким образом, к нуклеиновым кислотам относятся ДНК и РНК. ДНК и РНК – это природные биополимеры, построенные остатками нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты состоят из множества нуклеотидов. При определённых условиях для нуклеиновых кислот характерны реакции гидролиза. Основными функциями ДНК и РНК является синтез белков. В 1953 году была расшифрована структура ДНК.