Биологическая роль нуклеиновых кислот реферат

Обновлено: 02.07.2024

Кафедра: Биология
Зав. Кафедрой: д.м.н., профессор
Сентюрова Л.Г.

На тему: Нуклеиновые кислоты. Молекулярная Организация. Участки ДНК с уникальными и повторяющимися последовательностями. Кодовая система ДНК. Авторепродукция генетического материала.

Выполнила:
студентка 1 курса 112 группы
лечебного факультета
Елдышева Ольга

Проверила:
к.м.н., доцент
Хужахметова Л.К.

г. Астрахань, 2021 г.

Введение
Нуклеиновые кислоты имеют первостепенное биологическое значение и представляют собой сложные высокомолекулярные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Они впервые были обнаружены в ядрах клеток, откуда и их название (нуклеус -- ядро). Дезоксирибонуклеиновая кислотам (ДНК) -- один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная роль ДНК в клетках -- долговременное хранение информации о структуре РНК и белков. Молекулы ДНК хранят сведения об этих свойствах и передают их в поколениях потомков, т.е. ДНК-носитель наследственной информации.

Эти важные открытия дали старт глубокому изучению ДНК как основу генетического материала. На основе этой молекулы строится вся жизнь.

1. Нуклеиновые кислоты

1.1 Состав нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты— сложные природные высокомолекулярные соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации в живых организмах. Данные кислоты составляют 1–5% от сухой массы клетки и представлены моно- и полинуклеотидами

Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды, которые состоят из азотистого основания, углевода - пентозы и остатка фосфорной кислоты, соединенных между собой ковалентными связями. Азотистые основания представлены производными пурина (аденин и гуанин) и пиримидина (цитозин, гуанин и урацил (у РНК)). Пентозы: рибозы – в РНК, дезоксирибозы – в ДНК. Они различаются по отсутствию или наличию гидроксильной группы во втором положении атома углерода сахарного кольца.

Различают 2 типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота — ДНК и рибонуклеиновая кислота —РНК. Они отличаются друг от друга своим строением и функциям.

1.2 Значение нуклеиновых кислот

Значение нуклеиновых кислот очень велико. Особенности их химического строения обеспечивают возможность хранения, переноса в цитоплазму и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой клетке. Белки обусловливают большинство свойств и признаков клеток. Понятно поэтому, что стабильность структуры нуклеиновых кислот - важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и организма в целом. Любые изменения строения нуклеиновых кислот влекут за собой изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя таким образом на жизнеспособность.

2. Структуры нуклеиновых кислот

2.1 Первичная структура

Первичная структура цепи ДНК и РНК – нуклеотидный состав и определенна последовательность нуклеотидных звеньев в полимерной цепи. Первичная структура определяется в соответствии с правилами Э. Чаргаффа:

1) Все ДНК независимо от их происхождения содержат одинаковое число пуриновых и пиримидиновых оснований. Следовательно, в любой ДНК на каждый пуриновый нуклеотид приходится один пиримидиновый.

2) Любая ДНК всегда содержит в равных количествах попарно аденин и тимин, гуанин и цитозин, что обычно обозначают как А = Т и G = C.

3) Количество оснований, содержащих аминогруппы в положении 4 пиримидинового ядра и 6 пуринового (цитозин и аденин), равно количеству оснований, содержащих оксо-группу в тех же положениях (гуанин и тимин), т.е. A + C=G + T

2.2. Вторичные структуры

Вторичная структура нуклеиновых кислот. Под вторичной структурой нуклеиновых кислот понимают пространственно-упорядоченные формы полинуклеотидных цепей.

Вторичная структура ДНК образована двумя параллельными неразветвленными полинуклеотидными цепями, которые закручены вокруг общей оси в двойную спираль.

Эта структура держится за счет водородных связей, которые образуются за счет азотистых оснований, направленными внутрь спирали. Азотистые основания составляют комплементарные пары. Образование водородных связей между комплементарными парами оснований обусловлено их пространственным соответствием. Так, пиримидиновое основание комплементарно пуриновому. Связи между другим основаниями не возникают из-за пространственных причин. Таким образом, в ДНК: тимин комплементарен аденину, а цитозин – гуанину.

Комплементарность полинуклеотидных цепей служит химической основой для главной функции ДНК – хранение и передача наследственных признаков.

Способность ДНК не только хранить, но и использовать генетическую информацию определяется следующими ее свойствами:

1) Молекулы ДНК способны к репликации, т.е. могут обеспечить возможность синтеза других молекул ДНК, идентичных исходным, поскольку последовательность оснований в одной из цепей двойной спирали контролирует их расположение в другой цепи;

2) Молекулы ДНК могут совершенно точным и определенным образом направлять синтез белков, специфичных для организмов данного вида.

Вторичная структура РНК

Молекулы РНК состоят из одной полинуклеотидной цепи и не имеют определенной пространственной формы, в отличии от ДНК. Также, полимерная цепь РНК приблизительно в десять раз короче, чем у ДНК.

Комплементарными парами в РНК являются цитозин-гуанин и урацил-аденин.

Основная роль РНК - непосредственное участие в биосинтезе белка. Известны три вида клеточных РНК, которые отличаются по местоположению в клетке, составу, размерам и свойствам, определяющим их специфическую роль в образовании белковых макромолекул:

1) Информационные (матричные) РНК передают закодированную в ДНК

информацию о структуре белка от ядра клетки к рибосомам, где и

осуществляется синтез белка;

2) Транспортные РНК собирают аминокислоты в цитоплазме клетки и переносят их в рибосому; молекулы РНК этого типа "узнают" по соответствующим участкам цепи информационной РНК, какие аминокислоты должны участвовать в синтезе белка;

3) Рибосомные РНК обеспечивают синтез белка определенного строения, считывая информацию с информационной (матричной) РНК.

3.Участки ДНК с уникальными и повторяющимися последовательностями.

В 1968 г. было установлено, что имеется два типа участков хромосомной ДНК, отличающихся друг от друга последовательностью расположения нуклеотидов (основных звеньев ДНК). Каждый участок первого типа состоит из своеобразной, присущей только ему последовательности расположения нуклеотидов. Такие последовательности были названы уникальными. Участки второго типа содержали различное количество повторяющихся последовательностей нуклеотидов, которые были названы повторами. В 1973— 1975 гг. было установлено, что в ДНК участки повторов чередуются с участками уникальных последовательностей таким образом, что каждая уникальная зона отделена от другой отрезками повторов. Оказалось, что повторы бывают двух видов — короткие (содержащие в среднем около 300 нуклеотидных пар) и длинные (до 5000 нуклеотидных пар). Число коротких повторов в ДНК в несколько раз больше, чем длинных. В последнее время высказано предположение, что длинные повторы равномерно распределены по ДНК. Роль повторов пока не выяснена, хотя были высказаны предположения, что они играют роль в упаковке ДНК в хромосоме, в процессах транскрипции и трансляции, а также в осуществлении обмена генами между хромосомами.

4.Кодовая система ДНК.

В ДНК заключена вся генетическая информация о структуре и деятельности клетки. Участок ДК, несущий информацию о структуре белка – ген. Биосинтез белка осуществляется с помощью генетического кода.

Свойства генетического кода:

1. Генетический код триплетен

2. Код – вырожден, избыточен

3. Каждый кодон шифрует 1 аминокислоту

4. Прерывистость – между генами есть знаки препинания

5. Код – универсален

Транскрипция — это процесс считывания информации РНК, осуществляемой и-РНК полимеразой. ДНК — носитель всей генетической информации в клетке, непосредственного участия в синтезе белков не принимает. К рибосомам — местам сборки белков — высылается из ядра несущий информационный посредник, способный пройти поры ядерной мембраны. Им является и-РНК. По принципу комплементарности она считывает с ДНК при участии фермента, называемого РНК — полимеразой. В процессе транскрипции можно выделить 4 стадии:

1) Связывание РНК-полимеразы с промотором,

2) инициация — начало синтеза. Оно заключается в образовании первой фосфодиэфирной связи между АТФ и ГТФ и два нуклеотидом синтезирующей молекулы и-РНК,

3) элонгация — рост цепи РНК, т.е. последовательное присоединение нуклеотидов друг к другу в том порядке, в котором стоят комплементарные нуклеотиды в транскрибируемой ните ДНК,

4) Терминация — завершения синтеза и-РНК. Промотр — площадка для РНК-полимеразы. Оперон — часть одного гена ДНК.

5.Репликация ДНК.

Основные ферменты репликации ДНК и их функции:

1) ДНК-полимераза. Наращивает полинуклеотидные нити, присоединяя нуклеотиды в направлении 5ʹ → 3ʹ, на ведущей цепи непрерывно, на отстающей — фрагментами Оказаки

2) ДНК-лигаза. Сшивают фрагменты Оказаки после удаления РНКзатравки

3) ДНК-геликаза - раскручивает двойную спираль, разрывая водородные связи, используя энергию АТФ

4) ДНК-топоизомераза. Разрывает одну из нитей ДНК, давая ей возможность вращаться вокруг второй цепи для снятия напряжения на сверхзакрученных участках ДНК; она же восстанавливает целостность нити

5) РНК-праймаза. Синтезирует короткие РНК-праймеры (РНК-затравки) для предоставления свободного 3ʹ-ОН конца ДНК-полимеразе

6) SSB (дестабилизирующие) белки. Связываются с одноцепочечной ДНК, не позволяя вновь соединиться двум нитям и не закрывая оснований ДНК

7) 5ʹ-3ʹ-эндонуклеаза Удаление РНК-затравки, репарация

8) 3ʹ-5ʹ-эндонуклеаза Исправление ошибок репликации

Процесс удвоения молекулы ДНК, или самовоспроизведения, называется репликацией. В основе репликации лежит матричный механизм. В реакциях матричного типа одна молекула является матрицей (основой или формой) для синтеза другой с комплементарной структурой. Репликация ДНК происходит полуконсервативно: каждая дочерняя молекула ДНК состоит из одной интактной (консервативной) цепи, полученной от родительской двойной спирали, и одной синтезированной цепи (рис. 4.29). Процесс репликации начинается с того, что инициирующие белки связываются с молекулой ДНК. Расплетаются ее комплементарные цепи, разрывая водородные связи между основаниями нуклеотидов цепей ДНК.

Процесс репликации ДНК играет важную роль в передаче наследственной информации. Благодаря ему дочерние клетки получают равное количество генетической информации — точные копии информации материнской клетки.

Выделяют три основные стадии процесса репликации:
1) инициация — сборка ферментного и белкового комплекса на участках ДНК и начало процесса;
2) элонгация — удлинение полинуклеотидной цепи ДНК;
3) терминация — окончание репликации. Регуляция репликации осуществляется в основном на стадии инициации.

Репликация у прокариот. Точка начала репликации у прокариот называется ori (от англ. origin). Известно, что в этих участках находятся высоко консервативные последовательности, расположенные тандемно. Эти последовательности узнаются ферментами репликации. Новая ДНК образуется с одинаковой скоростью в обоих направлениях до тех пор, пока ДНК не станет полностью удвоенной и не образуются две хромосомы (рис. 4.30). Ведущий фермент репликации — ДНК-полимераза. У прокариот E. coli в настоящее время известно пять типов ДНК-полимеразы (ДНК-полимеразы I, II, III, IV, V). В разных комбинациях они отвечают за репликацию и репарацию.

Репликация у эукариот. Начинается в нескольких точках. Эти точки называются ARS (Autonomously Replicating Sequence — автономно реплицирующаяся последовательность). В хромосомах эукариот существует большое количество ARS. У эукариот известны семь типов ДНК-полимераз (ДНК-полимераза ά, β, γ, δ, ε, ζ, η). В разных комбинациях эти семь ДНК-полимераз отвечают за репликацию и репарацию в ядре, митохондриях, пластидах. Структура, в которой происходит репликация, получила название репликационной вилки. Репликационная вилка движется последовательно вдоль ДНК от ее стартовой точки. По ходу процесса соседние репликоны соединяются. Иногда насчитывают сотни репликонов, репликация идет в обоих направлениях. Синтез ДНК происходит в S-периоде интерфазы клеточного цикла.

Заключение

Почти полвека тому назад был открыт принцип структурной (молекулярной) организации генного вещества – дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Структура ДНК дала ключ к механизму точного воспроизведения генного вещества. Так возникла новая наука – молекулярная биология. Была сформулирована так называемая центральная догма молекулярной биологии: ДНК – РНК – белок. Смысл ее состоит в том, что генетическая информация, записанная в ДНК, реализуется в виде белков, но не непосредственно, а через посредство родственного полимера – рибонуклеиновую кислоту (РНК), и этот путь от нуклеиновых кислот к белкам необратим. Таким образом, ДНК синтезируется на ДНК, обеспечивая собственное воспроизведение исходного генетического материала в поколениях; РНК синтезируется на ДНК, в результате чего происходит переписывание, или транскрипция, генетической информации в форму многочисленных копий РНК; молекулы РНК служат матрицами для синтеза белков – генетическая информация транслируется в форму полипептидных цепей. Итак, именно ДНК определяет наследственность организмов, то есть воспроизводящийся в поколениях набор белков и связанных с ними признаков. Биосинтез белка является центральным процессом живой материи, а нуклеиновые кислоты обеспечивают его, с одной стороны, программой, определяющей весь набор и специфику синтезируемых белков, а с другой – механизмом точного воспроизведения этой программы в поколениях. Следовательно, происхождение жизни в ее современной клеточной форме сводится к возникновению механизма наследуемого биосинтеза белков.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Государственное бюджетное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №225 Адмиралтейского района Санкт-Петербурга

Шаповалова Валентина Александровна

Воронаев Иван Геннадьевич

Сегодня мы разберем тему нуклеиновые кислоты, так как она затрагивает жизненноважные процессы, происходящие в организме. В задачи данного реферата входит :

-пояснить, что такое нуклеиновые кислоты и какие их виды существуют;

-разобраться, чем отличаются виды нуклеиновых кислот;

-подробнее разобрать функции ДНК и РНК.

Что такое нуклеиновые кислоты?

Чем ДНК отличается от РНК?

Названия отличаются тем, что молекула ДНК содержит моносахарид дезоксирибозу, а РНК — рибозу.

Нуклеиновые кислоты ,подобно белкам, имеют первичную, вторичную и третичную структуру.

Чередование нуклеотидов в полимерной цепи образует первичную структуру нуклеиновой кислоты. Так, в состав РНК входят такие азотистые основания как: аденин (А), гуанин (Г), урацил (У), цитозин (Ц),а в состав ДНК входят: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц).

ДНК и РНК также отличаются вторичной структурой: молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепочек, спирально закрученных одна относительно другой, а РНК- из одной полинуклеотидной цепочки.

Две спирали в молекуле ДНК удерживаются вместе водородными связями между парами оснований. Двойная спираль ДНК строится по принципу комплиментарности: напротив аденинового нуклеотида одной цепи располагается тиминовый нуклеотид другой цепи, а против гуанинового- цитозиновый.

В РНК гуанин (Г) может образовывать водородные связи как с урацилом (У), так и с цитозином (Ц). Поэтому двухцепочечные участки РНК некомплементарны, и нуклеотидный состав РНК может меняться в широких пределах.

Вторичная структура ДНК (а); комплементарность между двумя цепями ДНК (б)

Третичная структура нуклеиновых кислот — это пространственное расположение ДНК и РНК. ДНК находится преимущественно в хромосомах клеточного ядра,а также митохондриях и хлоропластах.ДНК является основным строительным материалом генов, в которых хранится наследственная информация организма. РНК входит в состав ядрышек, митохондрий, рибосом, пластид, цитоплазмы. РНК выполняет различные функции, по причине того ,что существует в виде трех разновидностей: рибосомные РНК (рРНК), транспортные РНК (тРНК) и информационные ,или матричные РНК (иРНК).

3) Три разновидности РНК. Функции РНК.

1) Рибосомные РНК (рРНК).

Составляют 85% всей РНК клетки. Они определяют структуру и функционирование рибосом.

2) Транспортные РНК (тРНК).

Составляют примерно 10% от всех клеточных РНК. Они подносят аминокислоты к месту образования белковых молекул-рибосомам.

3) Информационные РНК (иРНК).

Не смотря на низкое процентное содержание в общей массе РНК клетки, всего 5%, они стоят на первом месте по значению. Они программируют синтез белков; осуществляют непосредственную передачу кода ДНК к месту синтеза белков.

4) Фукнции ДНК.

ДНК-главная молекула в живом организме. В ней хранится генетическая информация, передающаяся из поколения в поколение, но в синтезе белка ДНК не участвует.

В молекулах ДНК в закодированном виде записан состав всех белков организма. Каждая аминокислота, присутствующая в составе белка, имеет свой собственный код в ДНК-кодон.[2]

Открытие нуклеиновых кислот связано с именем молодого врача из города Базеля (Швейцария) Фридриха Мишера. После окончания медицинского факультета Мишер был послан для усовершенствования и работы над диссертацией в Тюбинген (Германия) в физиолого-химическую лабораторию, возглавляемую Ф. Гоппе-Зейлером. Тюбингенская лаборатория в то время была известна ученому миру. Пройдя практику по органической химии, Мишер приступил к работе в биохимической лаборатории. Ему было поручено заняться изучением химического состава гноя. Молодой ученый не возражал против предложенной темы, так как считал лейкоциты, присутствующие в гное, одними из самых простых клеток.

Путём многочисленных опытов он получил из гнойных клеток вещество ядерного происхождения. Мишер был уверен именно в ядерном его источнике. Поэтому он начал более тщательное выделение ядер. В то время еще никто в биохимических лабораториях не пытался выделить ядра или какие-либо другие субклеточные компоненты, так что и здесь он был пионером.

Продолжив дальше очищать ядро от других клеточных фрагментов, он получил странное вещетво. Оно не разлагалось протеолитическими ферментами, значит, не являлось белком. Отсутствие растворимости в горячем спирте указывало на то, что это вещество не являлось и фосфолипидом. По-видимому, оно относилось к новому классу биохимических соединений.

Но Мишер с большой горячностью настаивал на точности своих результатов и добивался разрешения опубликовать их в печати. Тогда Гоппе-Зейлер решил проверить данные Мишера лично. Он и два его ассистента (одним из них был русский химик Любавин) в течение года шаг за шагом прошли все этапы аналитической работы Мишера и полностью подтвердили его данные, выделив нуклеин из клеток крови и из дрожжей.

В 1871 г. работа Мишера вместе с подтверждающими ее контрольными работами Гоппе-Зейлера и его ассистентов увидела свет. Существование нуклеина как специфического ядерного вещества стало научным фактом. Вскоре методика Мишера была применена для выделения нуклеина из различных тканей.

2. Нахождение нуклеиновых кислот в природе

Нуклеиновые кислоты в природе встречаются во всех живых клетках. Живые клетки, за исключением сперматозоидов, в норме содержат значительно больше рибонуклеиновой, чем дезоксирибонуклеиновой кислоты. На методы выделения дезоксирибонуклеиновых кислот оказало большое влияние то обстоятельство, что, тогда как рибонуклеопротеиды и рибонуклеиновые кислоты растворимы в разбавленном (0,15 М) растворе хлористого натрия, дезоксирибонуклеопротеидные комплексы фактически в нем нерастворимы.

Поэтому гомогенизированный орган или организм тщательно промывают разбавленным солевым раствором, из остатка с помощью крепкого солевого раствора экстрагируют дезоксирибонуклеиновую кислоту, которую осаждают затем добавлением этанола.

В клетках эукариот (например, животных или растений) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеотид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов.

3. Получение нуклеиновых кислот

В клетках нуклеиновые кислоты связаны с белками, образуя нуклеопротеиды. Выделение нуклеиновых кислот сводится к очистке их от белков. Для этого препараты, содержащие нуклеиновые кислоты, обрабатывают ПАВ и экстрагируют белки фенолом. Послед, очистка и фракционирование нуклеиновых кислот проводятся с помощью ультрацентрифугирования, различных видов жидкостной хроматографии и гель - электрофореза. Для получения индивидуальных нуклеиновых кислот обычно используют различные варианты последнего метода.

Современные методы химического синтеза нуклеиновых кислот позволяют получать крупные фрагменты ДНК, в том числе целые гены. Методические основы химически - ферментативных методов синтеза ДНК разработаны X. Кораной.

Они включают:

Ш химический синтез комплементарных, взаимоперекрывающихся олигонуклеотидов, из которых затем в результате комплементационных взаимодействий выстраиваются дуплексы - фрагменты молекулы синтезируемой ДНК с несовпадающими разрывами в обеих цепях;

Ш соединение (лигирование) таких олигонуклеотидов в составе дуплекса с помощью фермента Т4 ДНК-лигазы. Сборку протяженных ДНК из синтетически однотяжевых олигонуклеотидов проводят в несколько этапов. Сначала собирают небольшие дуплексы с "липкими" концами (однотяжевыми комплементарными участками), из которых затем последовательно формируют более протяженные структуры. Таким образом могут быть получены искусственные фрагменты ДНК большой длины и с любой нуклеотидной последовательностью. С помощью генетической инженерии возможно клонирование (получение в индивидуальном виде и размножение) искусственных ДНК.

Несмотря на малую эффективность этого метода, были синтезированы олигонуклеотиды, содержащие до 16 звеньев, из которых были собраны первые синтетические гены. Фосфодиэфирный метод образования межнуклеотидных связей, использованный Кораной, имеет историческое значение. Однако разработанные им приемы введения и избирательные удаления защитных групп широко используются в других методах синтеза нуклеиновых кислот.

Важным шагом в совершенствовании синтеза олигонуклеотидов явилась разработка так называемого фосфотриэфирного метода. Образующийся динуклеотид после частичного деблокирования фосфата конденсируют аналогичным образом с другими динуклеотидом и т.д. Применение этого способа, в котором используют защиту фосфатной группы, позволило значительно сократить время синтеза и повысить выходы олигонуклеотидов.

Параллельно этим методам, которые осуществляют в растворах, разрабатывались твердофазные способы синтеза нуклеиновых кислот. В последнем случае процесс проводят в двухфазной системе; нуклеозидный компонент связан ковалентно с нерастворимым полимером, а нуклеотидный компонент и необходимые реагенты находятся в растворе.

Обычно в этом случае на первой стадии нуклеозид присоединяют с помощью "якорной" группы к нерастворимому полимеру. Затем его 5-гидроксильную группу деблокируют и конденсируют с нуклеотидным компонентом. У образующегося полностью защищенного динуклеозидмонофосфата деблокируют защитную группу в положении 5 и присоединяют следующему нуклеотид и т.д.

Наиболее распространенные методы твердофазного синтеза олигонуклеотидов основаны на использовании нуклеотидного компонента, содержащего Р(III). В так называемом амидофосфитном способе нуклеотидным компонентом является эфир 3-амидофосфита дезоксинуклеозида. Достаточно устойчивые амидофосфиты при протонировании в присутствии тетразола превращаются в сильные фосфорилирующие агенты. После завершения синтеза удаляют защитные группы с межнуклеотидных фосфатов, отделяют олигонуклеотид от носителя, деблокируют группы Np гетероциклов. Липофильную группу (МеО)2Тr удаляют после первого хроматографического разделения.

Стандартность операций в твердофазном синтезе олигонуклеотидов явилась основой для автоматизации процесса. Принцип работы автомата-синтезатора основан на подаче в реактор с помощью насоса (под контролем микропроцессора) защищенных нуклеотидных компонентов реагентов и растворителей по заданной программе в колонку, содержащую полимерный носитель с закрепленным на нем первым нуклеозидом. После окончания синтеза и отделения полностью защищенного олигонуклеотида от полимерного носителя проводят деблокирование, очистку и анализ синтезированных фрагментов ДНК. Так, с помощью гидрофосфорильного метода в автомате - синтезаторе за несколько часов получают 30-40-звенные олигонуклеотиды; возможен синтез более чем 100-звенных фрагментов ДНК. Разработаны синтезаторы, позволяющие проводить одновременно синтез несколько олигонуклеотидов.

Синтез олигорибонуклеотидов ферментативным путем осуществляют обычно с использованием рибонуклеаз или полинуклеотидфосфорилаз.

В качестве нуклеотидного и нуклеозидного компонента применяют мономеры или олигонуклеотиды. Эту реакцию используют для синтеза ди-, три- и тетрарибонуклеотидов. При увеличении длины олигорибонуклеотида начинает преобладать обратная реакция (гидролиз олигонуклеотида).

Химический синтез олигорибонуклеотидов проводят в основном с использованием тех же приемов, как и при синтезе ДНК.

4. Химические свойства нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты:

ь хорошо растворимы в воде

ь практически не растворимы в органических растворителях.

ь очень чувствительны к действию температуры и критических значений уровня pH.

ь молекулы ДНК с высокой молекулярной массой, выделенные из природных источников, способны фрагментироваться под действием механических сил, например при перемешивании раствора.

ь нуклеиновые кислоты фрагментируются ферментами -- нуклеазами.

Химические свойства РНК.

Напоминают свойства ДНК, однако наличие дополнительных групп ОН в рибозе и меньшее (в сравнении с ДНК) содержание стабилизированных спиральных участков делает молекулы РНК химически более уязвимыми. При действии кислот или щелочей основные фрагменты полимерной цепи Р(О)-О-СН2 легко гидролизуются, группировки А, У, Г и Ц отщепляются легче. Если нужно получить мономерные фрагменты, сохранив при этом химически связанные гетероциклы, используют деликатно действующие ферменты, называемые рибонкулеазами.

Химические свойства ДНК.

В воде ДНК образует вязкие растворы, при нагревании таких растворов до 60°С или при действии щелочей двойная спираль распадается на две составляющие цепи, которые вновь могут объединиться, если вернуться к исходным условиям. В слабокислых условиях происходит гидролиз, в результате частично расщепляются фрагменты - Р-О-СН2- с образованием фрагментов - Р-ОН и НО-СН2 , соответственно результате образуются мономерные, димерные (сдвоенные) или примерные (утроенные) кислоты, представляющие собой звенья, из которых была собрана цепь ДНК.

Участие ДНК и РНК в синтезе белков - одна из основных функций нуклеиновых кислот. Белки - важнейшие компоненты каждого живого организма. Мышцы, внутренние органы, костная ткань, кожный и волосяной покров млекопитающих состоят из белков. Это полимерные соединения, которые собираются в живом организме из различных аминокислот. В такой сборке управляющую роль играют нуклеиновые кислоты, процесс проходит в две стадии, причем на каждой из них определяющий фактор - взаимоориентация азотсодержащих гетероциклов ДНК и РНК.

Основная задача ДНК - хранить записанную информацию и предоставлять в тот момент, когда начинается синтез белков. В связи с этим понятна повышенная химическая устойчивость ДНК в сравнении с РНК.

Природа позаботилась о том, чтобы сохранить по возможности основную информацию неприкосновенной

5. Применение нуклеиновых кислот

Последнее десятилетие характеризуется интенсивным развитием технологий, которые ориентированы на создание устройств, позволяющих получать информацию о свойствах различных сред (объектов) в форме электрического сигнала. В сенсорных технологиях чувствительный элемент способен "узнать" исследуемое вещество среди множества родственных и преобразовать полученную информацию о его присутствии в ответ, фиксируемый в цифровой или аналоговой форме. Наибольшее развитие имеют аналитические устройства, использующие в качестве узнающего элемента биомакромолекулы - биосенсоры.

Принцип действия биодатчиков, использующих частицы жидкокристаллической дисперсии, состоит в следующем: азотистые основания в молекулах ДНК, фиксированных в структуре холестерической жидкокристаллической дисперсии, тем или иным способом "узнают" молекулы биологически активного соединения (БАС) и "адресуют" их в определенные места на поверхности ДНК. Образование комплекса "ДНК-БАС" приводит к появлению первичного (в частности, оптического) сигнала. Пространственная структура холестерика многократно усиливает генерируемый в системе первичный сигнал и делает видимыми результаты действия биологически активного соединения на ДНК: в спектре кругового дихроизма появляется аномальная полоса (полосы) в области поглощения биологически активного соединения. Амплитуда этой полосы пропорциональна концентрации биологически активного соединения, а знак полосы несет информацию о способе ориентации его молекул по отношению к парам оснований ДНК.

В последние годы возрос интерес к иммуностимуляторам. Впервые нуклеиновые кислоты стали применять в 1882 году по инициативе Горбачевского при инфекционных заболеваниях стрепто - и стафилококкового происхождения. В 1911 году Черноруцкий установил, что под влиянием дрожжевой нуклеиновой кислоты увеличивается количество иммунных тел.

Нуклеинат натрия: увеличивает фагоцитарную активность, активирует поли- и мононуклеары, увеличивает эффективность тетрациклинов при смешанной инфекции, вызванной стафилококком и синегнойной палочкой. При профилактическом введении нуклеинат натрия обусловливает и противовирусный эффект, так как обладает интерфероногенной активностью.

Нуклеинат натрия ускоряет формирование прививочного иммунитета, увеличивает его качество, позволяет уменьшить дозу вакцины. Этот препарат оказывает позитивный эффект при лечении больных с хроническим паротитом, язвенной болезнью, различными формами пневмонии, хроническим воспалением легких, бронхиальной астмой. Нуклеинат натрия увеличивает содержание РНК и белка в макрофагах в 1,5 раза и гликогена в 1,6 раза, увеличивает активность лизосомальных ферментов, следовательно, увеличивает завершенность фагоцитоза макрофагами. Препарат увеличивает содержание у человека лизоцима и нормальных антител, если их уровень был снижен.

Особое место среди препаратов нуклеиновых кислот занимает иммунная РНК макрофагов, которая представляет собой информационную РНК, которая вносит в клетку фрагмент антигена. То есть, идет неспецифическая стимуляция иммунокомпетентных клеток нуклеотидами.

Неспецифическими стимуляторами являются синтетические двухцепочечные полинуклеотиды, которые стимулируют антителообразование, увеличивают антигенный эффект неиммуногенных доз антигена, обладающего антивирусными свойствами, связанными с интерфероногенной активностью. Их механизм действия сложен и недостаточно выяснен. Двунитчатая РНК включается в систему регуляции синтеза белка в клетке, активно взаимодействуя с клеточной мембраной.

Но высокая стоимость препаратов, недостаточная их эффективность, наличие побочных явлений (тошнота, рвота, снижение артериального давления, увеличение температуры тела, нарушение функций печени, лимфопения - из-за прямого токсического действия на клетки), отсутствие схем использования делают применение препаратов ограниченным.

6. Занимательные факты

ь Почти полвека тому назад был открыт принцип структурной (молекулярной) организации генного вещества - дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Структура ДНК дала ключ к механизму точного воспроизведения генного вещества. Так возникла новая наука - молекулярная биология.

ь Накопление знаний о генетическом коде, нуклеиновых кислотах и биосинтезе белков привело к утверждению принципиально новой идеи о том, что все начиналось вовсе не с белков, а с РНК.

ь Известно, что рибонуклеиновая кислота является основным переносчиком генетической информации от ДНК к белку. Поэтому многие заболевания связаны именно с неправильной передачей этой информации.

ь Достаточно неожиданно обнаружилось, что во внеклеточных жидкостях организма находится весьма заметное количество нуклеиновых кислот. До сих пор не понятно, как они туда попадают. Самым простым было бы предположить, что нуклеиновые кислоты оказываются во внеклеточном пространстве при гибели клеток. Однако, имеются факты, противоречащие этому предположению.

ь Расшифровка структуры ДНК (1953 г.) стала одним из поворотных моментов в истории биологии. За выдающийся вклад в это открытие Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону, Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 г.

нуклеиновых кислот может меняться от сотен тысяч до десятков миллиардов.

Они были открыты и выделены из клеточных ядер ещё в 19 в., но их

биологическая роль выяснена только во второй половине 20 в.

Строение нуклеиновых кислот можно установить, анализируя продукты их

гидролиза. При полном гидролизе нуклеиновых кислот образуется смесь

пиримидиновых и пуриновых оснований, моносахарид (β - рибоза или β -

дезоксирибоза) и фосфорная кислота. Это означает, что нуклеиновые

При частичном гидролизе нуклеиновых кислот образуется смесь

нуклеотидов, молекулы которых построены из остатков фосфорной кислоты,

моносахарида (рибозы или дезоксирибозы) и азотистого основания

(пуринового или пиримидинового). Остаток фосфорной кислоты связан с 3-м

или 5-м атомом углерода моносахарида, а остаток основания – с первым

атомом углерода моносахарида. В зависимости от типа азотистого основания

Нуклеотид – основная структурная единица нуклеиновых кислот, их

мономерное звено. Нуклеиновые кислоты, состоящие из рибонуклеидов,

называют рибонуклеиновыми кислотами (РНК). Нуклеиновые кислоты,

состоящие из дезоксирибонуклеотидов, называют дезоксирибонуклеиновыми

кислотами (ДНК). В состав молекул РНК входят нуклеотиды, содержащие

основания аденин, гуанин, цитозин и урацил. В состав молекул ДНК входят

нуклеотиды, содержащие аденин, гуанин, цитозин и тимин. Для обозначения

оснований используют сокращения: аденин – А, гуанин – G, тимин – Т,

Свойства ДНК и РНК определяются последовательностью оснований в

полинуклеотидной цепи и пространственным строением цепи.

Последовательность оснований содержит генетическую информацию, а

остатки моносахаридов и фосфорной кислоты играют структурную роль

В молекулах ДНК и РНК отдельные нуклеотиды связаны в единую

полимерную цепь за счёт образования сложноэфирных связей между

остатками фосфорной кислоты и гидроксильными группами при 3-м и 5-м

Пространственная структура полинуклеотидных цепей ДНК и РНК была

определена методом рентгеноструктурного анализа. Одним из самых

крупных открытий биохимии 20 века оказалась модель двуспиральной

структуры ДНК, которую предложили в 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик.

Согласно этой модели, молекула ДНК представляет собой двойную спираль

и состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных в

противоположные стороны вокруг общей оси. Пуриновые и пиримидиновые

основания расположены внутри спирали, а остатки фосфата и дезоксирибозы

– снаружи. Две спирали удерживаются вместе водородными связями между

парами оснований. Важнейшее свойство ДНК – избирательность в

образовании связей (комплементарность). Размеры оснований и двойной

спирали подобраны в природе таким образом, что тимин образует

водородные связи только с аденином, а цитозин – только с гуанином.

Таким образом, две спирали в молекуле ДНК комплементарны друг другу.

Последовательность нуклеотидов в одной из спиралей однозначно

определяет последовательность нуклеотидов в другой спирали.

В каждой паре оснований, связанных водородными связями, одно из

оснований – пуриновое, другое – пиримидиновое. Отсюда следует, что общее

число остатков пуриновых остатков в молекуле ДНК равно числу остатков

В отличие от ДНК молекулы РНК состоят из одной полинуклеотидной

цепи. Число нуклеотидов в цепи колеблется от 75 до нескольких тысяч, а

молекулярная масса РНК может изменяться в пределах от 2500 до

нескольких миллионов. Полинуклеотидная цепь РНК не имеет строго

ДНК – главная молекула в живом организме. Она хранит генетическую

информацию, которую передаёт от одного поколения к другому. В молекулах

ДНК в закодированном виде записан состав всех белков организма. Каждой

аминокислоте, входящей в состав белков, соответствует свой код в ДНК, т. е.

ДНК содержит всю генетическую информацию, но непосредственно в

синтезе белков не участвует. Роль посредника между ДНК и местом синтеза

белка выполняет РНК. Процесс синтеза белка на основе генетической

информации схематично можно разбить на две основные стадии: считывание

Клетки содержат три типа РНК, которые выполняют различные функции.

1) Информационная или матричная РНК (м-РНК) считывает и переносит

генетическую информацию от ДНК, содержащейся в хромосомах, к

рибосомам, где происходит синтез белка со строго определённой

2) Транспортная РНК (т-РНК) переносит аминокислоты к рибосомам, где

3) Рибосомная РНК (р-РНК) непосредственно участвует в синтезе белков в

рибосомах. Рибосомы – сложные надмолекулярные структуры, которые

состоят из четырёх р-РНК и нескольких десятков белков. Фактически

Последовательность оснований в м-РНК – это генетический код,

управляющий последовательностью аминокислот в белках. Замечательная

особенность генетического кода состоит в том, что он универсален для всех

Читайте также: