Кто открыл нуклеиновые кислоты – 1. Общие сведения о нуклеиновых кислотах и история их открытия. Нуклеиновые кислоты

Строение нуклеиновых кислот

Нуклеотиды линейно соединяются между собой, образуя длинные молекулы нуклеиновых кислот. Цепочки многих молекул ДНК являются самыми длинными существующими полимерами. Длина молекул РНК обычно существенно меньше ДНК, но при этом различна, т. к. зависит от типа РНК.

При образовании полинуклеотида (нуклеиновой кислоты) остаток фосфорной кислоты предыдущего нуклеотида соединяется с 3-м атомом углерода пентозы следующего нуклеотида. Связь образуется такая же как между 5-м атомом углерода сахара и фосфорной кислотой в самом нуклеотиде – ковалентная фосфоэфирная.

Таким образом, остов молекул нуклеиновых кислот составляют пентозы, между которыми образуются фосфодиэфирные мостики (по-сути остатки пентоз и фосфорных кислот чередуются). От остова в сторону отходят азотистые основания. На рисунке ниже представлена часть молекулы рибонуклеиновой кислоты.

Следует отметить, что молекулы ДНК обычно не только длиннее РНК, но и состоят из двух цепей, соединенных между собой водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями. Причем данные связи образуются согласно принципу комплементарности, по которому аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину.

Подобные связи могут возникать и в РНК (но здесь аденин комплементарен урацилу). Однако в РНК водородные связи образуются между нуклеотидами одной цепи, в результате чего молекула нуклеиновой кислоты сворачивается различным образом.

biology.su

Открытие нуклеиновых кислот и их биологическая роль

В 1868 году швейцарский исследователь Ф. Мишер впервые выделил из ядер лейкоцитов человека соединения нового типа, ранее неизвестные, которые он назвал нуклеинами (от лат. nucleus – ядро). Вскоре сотрудники лаборатории Ф. Гоппе-Зейлера, в которой работал Ф. Мишер, в том числе и наш соотечественник Н. Любавин, выделили нуклеины из эритроцитов птиц, рептилий, из дрожжевых клеток и ряда других объектов. Позднее Ф. Мишер установил, что нуклеин – это сложное соединение, состоящее из кислого компонента с высоким содержанием фосфора (в 1889 году этот компонент назвали нуклеиновой кислотой) и белкового компонента. Так были открыты нуклеиновые кислоты и новая группа сложных белков, содержащая их, –

Вторым важным доказательством генетической роли ДНК было выяснение механизма размножения бактериофага T2 в клетках E. coli. В 1952 году А. Херши и М. Чейз показали, что ДНК бактериофага проникает внутрь бактериальной клетки и вводит туда «программу» для синтеза новых фаговых частиц. Подавляющая часть белка бактериофага остается на поверхности бактериальной клетки. Таким образом, именно ДНК, а не белок отвечает за передачу наследственной информации у бактерий и бактериофагов. 

Свидетельства генетической роли ДНК для клеток высших организмов привели в 1949 году Г. Рис и А. Мирский. Они установили, что количество ДНК в клетке данного организма всегда постоянно в расчете на гаплоидных хромосомный набор и изменяется строго пропорционально изменениям плоидности.  

Таким образом было доказано, что нуклеиновые кислоты – это важнейший компонент всех живых организмов. Всех живых клеток. С участием нуклеиновых кислот происходит образование белков, являющихся материальной основой всех жизненных процессов. Каждый живой организм содержит свои специфические белки, которыми он отличается от других организмов. Информация, определяющая особенности структуры белков, «записана» в ДНК и передается в ряду поколений молекулами ДНК. 

Нуклеиновые кислоты другого типа – рибонуклеиновые кислоты (РНК) – являются обязательными и первостепенными участниками самого механизма биосинтеза белков. В связи с этим организм содержит РНК особенного много в тех тканях, в которых интенсивно образуются белки. Активное участие РНК в биосинтезе белков определяет их важное значение в процессе морфогенеза, поскольку без интенсивного синтеза белков немыслимо появление любого органа. В процессе эмбрионального развития до стадии гаструляции прирост содержания РНК у эмбриона идет медленно. Начало морфогенеза совпадает с резким повышением количества РНК, особенно в тех участках, где образуются органы. Самым высоким содержание РНК характеризуется дорсальная губа бластопора – «организатор» морфогенеза. Первостепенная роль РНК в биосинтезе белков объясняет и ее большое значение в процессе регенерации тканей и органов, для которого прежде всего необходимо новообразование белков.  

Важность изучения нуклеиновых кислот и нуклеопротеинов определяется также тем, что вирусы являются почти чистыми нуклеопротеинами. Борьба с многочисленными вирусными заболеваниями невозможна без глубокого знания строения и свойств нуклеиновых кислот. Особый интерес представляет выяснение причин заболевания раком и методов лечения этой болезни, в основе которой лежит нарушение нормального функционирования нуклеиновых кислот и белков клетки, что очень часто связано с воздействием вирусов. 

Следует, наконец, иметь ввиду, что мономерные звенья нуклеиновых кислот – нуклеотиды – играют самостоятельную важную роль в метаболизме: некоторые из них – коферменты, другие – аккумуляторы энергии в клетке, третьи – циклические нуклеотиды – регуляторы обмена веществ.  

Анисимов А.А. Основы биохимии. Стр. 178-180. 

immigraniadada.blogspot.com

Мир химии: Нуклеиновые кислоты.

Функции нуклеиновых кислот

Продолжив свои эксперименты на иных объектах, Мишер убедился в том, что им открыто новое вещество, которое сильно отличается от всех известных ранее веществ, имеющих биологическое происхождение (углеводов, белков, жиров и др.) собственным химическим строением. Данное вещество Мишером было названо нуклеином, поскольку он нашёл его в клеточных ядрах (ядро — с латыни «нуклеус»). Но в связи со слабым уровнем тогдашнего развития лабораторного оборудования установить точно химическое строение открытого нуклеина учёный не смог. Поднакопив довольно большое количество нуклеина, Мишер лишь смог обнаружить, что в составе его важная роль отводится какой-то неизвестной и очень сложной в плане своего строения кислоте.

Лишь намного позже было установлено, что нуклеин, открытый Мишером, состоял из прочного соединения белка с особенными по-настоящему сложными для проведения структурного анализа видами кислот, которые получили название «нуклеиновые кислоты».

Ещё одной составной частью нуклеинового вещества были белковые молекулы, так что, по сути, нуклеин из себя представлял химическое вещество, которое сейчас называется нуклеопротеином, либо хроматином. Лишь по завершению 30-тых годов 20 века химический состав НК был уточнен, а кроме того, установлено, что существует два типа кислот — дезоксирибонуклеиновая (то есть ДНК) и рибонуклеиновая (или РНК), которые входят в клеточный состав абсолютно всех живых существ на планете. Но, несмотря на это, детали строения нуклеиновых кислот оставались не совсем ясными вплоть до наступления 20-го века. В 50-тых гг., по словам ученого Д. Уотсона из Америки, установившего совместно с англичанином О. Криком базовые принципы ДНК-строения, относительно ДНК, по сравнению с белками, имелось крайне мало с точностью установленных данных. Их изучением занимались лишь считанные химики, и если исключить тот факт, что НК представляют собой весьма большие молекулы, которые построены из мельчайших строительных блоков — так называемых нуклеотидов, о их химии не известно было ничего особенного, за что можно ухватиться генетику.

Даже более того, химики-органики, которые работали с ДНК, практически никогда генетикой не интересовались.

Роль нуклеиновых кислот

Довольно сложным был и сам путь к пониманию роли нуклеиновых кислот в жизни клеток.

Довольно скоро после открытия Мишером нуклеина биологи обнаружили, что в клеточных ядрах имеются особенные морфологические структуры, которые отчетливо заметны под микроскопом в момент деления клеток, они получили название «хромосомы». Эти структуры закономерно распределялись по так называемым дочерним клеткам в ходе процесса клеточного деления. В первом же десятилетии века 20-ого стали высказываться предположения, согласно которым именно хромосомы — те самые носители наследственности, но сделать правильный дальнейший шаг — то есть связать наследственность с нуклеиновыми кислотами, находящимися в хромосомах, никто не догадался вплоть до 40-вых- 50-тых годов 20-го века. Даже более того, со временем роль нуклеиновых кислот стали значительно преуменьшать. В конце 19-го века некоторые ученые на этот счет высказывали вполне разумные предположения. К примеру, известные биологи Рихард и Оскар Гертвиги в своих работах писали о возможности роли кислот в передаче важных наследственных признаков.

В 1897-мом году в статье «Нуклеины», размещённой в «Энциклопедическом словаре» Брокгауза и Эфрона было отмечено, что нуклеин имеет огромное распространение и везде, где присутствуют клеточные ядра, есть и нуклеин… А ещё ему приписывается поистине выдающееся значение в размножении и развитии клеток. Однако позже эти в действительности правильные взгляды оказались забыты. Учёная мысль вплоть до 50-тых годов 20 века была скованной успехами в изучении свойств и структуры белковых молекул, а нуклеиновые кислоты же получили второстепенную роль. В распространении всеобщего убеждения в том, что основополагающая роль в наследственности отводится именно белкам, определяющее значение сыграло то обстоятельство, что видный советский ученый Н. Кольцов, который предсказал механизм осуществления передачи различных наследственных признаков посредством специфического строения полимерных макромолекул, совершенно ошибочно считал, что роль данных «наследственных молекул» отводится белкам.

Строение нуклеиновых кислот

И только после открытия 2-ойной спирали ДНК в 1953-ем году и установления важности роли нуклеиновых кислот в передаче наследственности пришла пора расцвета исследований этих кислот. Удивительно быстро (меньше чем за 2 десятилетия) полностью было установлено строение двух типов молекул нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и доказано, что это в них сосредоточены основные структуры наследственности — так называемые гены. Выяснена конкретная роль буквально каждого отдельного вида НК в передаче тех или иных наследственных свойств, а также управлении клеточной жизнедеятельностью, осуществлен поначалу искусственный молекулярный синтез ДНК и РНК вне живых клеток организмов. После чего разработаны методы по осуществлению искусственного синтеза частей данных молекул — генов. На сегодняшний день идёт разработка способов внедрения чужеродных участков молекул ДНК в живые клетки в целях исправления тех или иных наследственных дефектов. Наконец, надо отметить, что на протяжении последних лет препараты НК начали применять и непосредственно в целях лечения больных, которые страдают некоторыми тяжелыми формами кроветворных нарушений и ещё рядом иных болезней. Например, установлено, что препараты НК имеют способность  плодотворность деятельности костного мозга, в значительной мере способствуют коррекции выраженных нарушений обмена фосфора, приводящих к рахиту. Поэтому изучение этих кислот является исключительно важным не только для правильного понимания основных моментов в жизни организмов и клеток, но и для проникновения в суть способности сохранять постоянными свойства в целом ряду поколений, роль в делении клеток, управлении всеми протекающими в организмах биохимическими реакциями, способности логично отвечать на раздражения, которые вызываются внешней в отношении организма средой и т. д.

Изучение НК, кроме того, создает возможности и для успешного практического использования этих кислот в медицине. Они — наибольшие молекулы в клетках у живых организмов и внешне представляют собой полимеры линейного типа с огромным молекулярным весом.

 В клетках НК многократно скручены (иначе говоря, спирализованы) и образуют довольно компактные структуры, позволяющие им занимать сравнительно небольшой объем, однако если разложить молекулы ДНК в длину (всего лишь одной человеческой клетки), то получились бы цепи, чья длина составила несколько метров.

Только этот один факт уже говорит о сложности строения НК. Но как оказалось, основной их принцип строения довольно-таки прост. Цепи кислот состоят из чередующихся звеньев — так называемых нуклеотидов, чьё специфическое чередование и определяет запись всей наследственной информации в каждой клетке.

Каждые 3 последовательно располагающихся нуклеотида кодируют одну какую-то аминокислоту, а порядок последовательности нуклеотидов в ДНК-цепях у каждого организма поистине уникален, как и уникальна сама по себе наследственная информация у любого из видов  организмов.

В свою очередь нуклеотиды тоже имеют достаточно сложное строение и состоят из 3-ех соединенных меж собой молекул: 5-тиуглеродного сахара (так называемой пентозы), азотистого основания, а также остатка фосфорной кислоты. А названия нуклеотидам даются по имени конкретного азотистого основания, которое входит в их состав.

В строении молекулы ДНК встречается 4 основных вида азотистых оснований: это аденин (А), цитозин (Ц), гуанин (Г) и тимин (Т). В состав молекулы РНК тимин заменяет другое, близкое к нему по строению основание — это урацил (У). Ещё одним отличием ДНК и РНК становится то, что включённые в состав ДНК нуклеотиды содержат в себе 5-тичленный сахар — так называемую дезоксирибозу, а в РНК в наличие имеется иной углевод — рибоза.

В клетках буквально каждого из высших организмов есть ядро, которое от цитоплазмы отграничено особой оболочкой. Потому данные организмы названы были эукариоты (от греческого «эу» — значит «собственно», и «карио» — значит «ядро»).

Как раз в ядре и содержится превалирующая часть клетки ДНК. Причём ДНК ядерная эукариотов соединяется с особыми, называемыми ядерными белками, образуя так называемые нуклеопротеидные нити. Данные нити, скручиваясь многократно, формируют хромосомы. Помимо того, в клетках высших организмов — то есть эукариотов — ДНК обнаруживается в составе целого ряда разного рода внутриклеточных образований.

В большинстве случаев ДНК молекула выстроена из 2-ух полинуклеотидных цепей, которые скручены друг с другом. Данные цепи между собой соединяются по строго установленным правилам: тимин может соединяться с адештном и лишь с аденином, а тозин — с гуанином и т. п. Строго установленные правила сочетания различных оснований в пары (иначе говоря, комплементарность аденина тимину и цитозина гуанину) понятными стали лишь после изучения точных размеров 2-ойной ДНК спирали. Оказалось, что по всей длине диаметр 2-ойной спирали постоянен. Обеспечено постоянство данного размера спирали обеспечено может быть лишь в случае единственного сочетания оснований в паре. Лишь в том случае, если тимин соединяется с аденином, а цитозин с гуанином, могут получиться пары оснований, имеющих одинаковую длину. Перед началом деления клеток происходит их удвоение (то есть репликация) ДНК молекул. Данный процесс представляет собой довольно сложную цепь одну за другой протекающих реакций, в итоге которых на материнских исходных молекулах ДНК происходит синтезирование их точных дочерних копий. РНК также присутствуют во всех клетках живых организмов, при этом у части вирусов они являются одним единственным видом НК. Рибонуклеиновые кислоты исполняют важнейшую роль — обеспечивают перенос важной генетической информации непосредственно от ДНК к белкам. В живых организмах присутствует довольно большое количество разных белков, каждый из них выполняет чёткие функции. Причём функциональные возможности, а также специализированность конкретного белка определяется его строением и, как правило, тем, в какой именно последовательности у него в молекуле располагаются основные единицы его структуры — аминокислоты.

Нуклеиновые кислоты — это основные участники центрального жизненного акта — синтеза молекул белка. Все, что требуется клетке для нормальной жизни, изначально запрограммировано на отрезках ДНК молекулы — то есть генах, что располагаются главным образом в ядре клетки. Как раз они и являются хранителями всех эволюционных жизненных достижений, зафиксированных на языке генетического кода. Однако сами по себе гены белка не синтезируют. Информация, записанная в них, реализуется молекулами РНК.

Прежде чем построить белки, снимаются так называемые «чертежи» гена: на ДНК молекуле синтезируется информационной РНК молекула, являющаяся её точной копией — то есть зеркальным отражением скопированного гена. После этого молекулы информационной РНК переходят в цитоплазму, доставляя туда «приказы» генов. 

Роль так называемых «переводчиков» с языка непростого генетического кода на рабочий язык аминокислот выполняется молекулами РНК иного вида — транспортными.

Маленькие по своему размеру и удельному молекулярному весу эти молекулы имеют способность различать необходимые аминокислоты, подтаскивать и присоединять их к себе, транспортировать к рибосоме.

Буквально каждой из аминокислот соответствует собственная транспортная РНК. То есть, в клетке присутствует, по меньшей мере, два десятка видов РНК транспортных в соответствии с числом аминокислот.

Процесс распознавания транспортными РНК «собственных» аминокислот идёт при помощи специальных ферментов (коих также существует не менее 20-ти видов), управляющих аминокислотным прикреплением к соответствующим РНК транспортного типа.

Молекула РНК-транспортной, которая соединена с аминокислотой, подплывая к рибосоме, воссоединяется с ней. Уже в следующее мгновение сформировавшаяся матрица (то есть информационная РНК) двигается по рибосоме на определённое расстояние, что соответствует участку, на котором записан шифр присоединённой аминокислоты, словно подставляя участок для прочтения, на котором закодирована определённая аминокислота.

РНК информационная так продвигается до тех самых пор, пока буквально вся матрица не будет прочитанной рибосомой, а молекула соответствующего ей белка в полной мере синтезированной.

1-рвая транспортная аминокислота, которая выполнила свою задачу, сразу же покидает рибосому, освободив место для последующей.

Полностью освободившиеся от аминокислотного груза транспортные РНК постепенно уходят в цитоплазму, где их ожидают молекулы ферментов, дабы соединить со следующими порциями аминокислот. Так как в клетке, пока та живет, необходимы всё новые белки.

Источники: clinicall.ru

himoza1977.blogspot.com

Нуклеиновые кислоты — это… Что такое Нуклеиновые кислоты?

Нуклеи́новые кисло́ты (от лат. nucleus — ядро) — высокомолекулярные органические соединения, биополимеры (полинуклеотиды), образованные остатками нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК 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 сильновыраженными 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

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. Типичная методика приводится в работе^[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.

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.

Химические 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

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

Примечания

1. ↑ J.Liebig (1847). «». Annalen 62: 257.
2. ↑ Edmund B. Wilson An Atlas of the Fertilization and Karyokinesis of the Ovum — New York: Macmillan, 1895. — P. 4.
3. ↑ P.A.Levene (1921). «». J.Biol.Chem. 48: 119.
4. ↑ Во время выдвижения «тетрануклеотидной структуры» химики критически относились к самой возможности существования макромолекул, вследствие чего ДНК была приписана структура с низкой молекулярной массой
5. ↑ W.Klein, S.J.Thannhauser (1935). «». Z. physiol. Chem. 231: 96.
6. ↑ J. D. Watson, F. H. C. Crick (1953). «Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid». Nature 171: 737 — 738. DOI:doi:10.1038/171737a0.
7. ↑ Ernest R. M. Kay, Norman S. Simmons, Alexander L. (1952). «An Improved Preparation of Sodium Desoxyribonucleate». J. Am. Chem. Soc. 74 (7): 1724–1726. DOI:10.1021/ja01127a034.

Литература

• Бартон Д., Оллис У.Д. Общая органическая химия — Москва: Химия, 1986. — Т. 10. — С. 32—215. — 704 с.
• Франк-Каменецкий М.Д. Самая главная молекула — Москва: Наука, 1983. — 160 с.

См. также

dic.academic.ru