Нуклеїнові кислоти, Реферат – Вчив Ні!
1. Історія відкриття та назви нуклеїнових кислот
2. Знаходження нуклеїнових кислот у природі
3. Отримання нуклеїнових кислот
4. Хімічні властивості нуклеїнових кислот
5. Застосування нуклеїнових кислот
6. Цікаві факти про нуклеїнові кислоти
1. Історія відкриття нуклеїнів та їх назви
Відкриття нуклеїнових кислот пов'язане з ім'ям молодого лікаря з міста Базеля (Швейцарія) Фрідріха Мішера. Після закінчення медичного факультету Мішера було послано для вдосконалення та роботи над дисертацією до Тюбінгена (Німеччина) до фізіолого-хімічної лабораторії, очолюваноїФ. Гоппе-Зейлером. Тюбінгенська лабораторія на той час була відома вченому світу. Пройшовши практику з органічної хімії, Мішер розпочав роботу у біохімічній лабораторії. Йому було доручено зайнятися вивченням хімічного складу гною. Молодий вчений не заперечував проти запропонованої теми, оскільки вважав лейкоцити, присутні у гное, одними з найпростіших клітин.
Шляхом численних дослідів він отримав із гнійних клітин речовину ядерного походження. Мішер був упевнений саме в його ядерному джерелі. Тому він почав ретельніше виділення ядер. На той час ще ніхто в біохімічних лабораторіях не намагався виділити ядра чи будь-які інші субклітинні компоненти, тож і тут він був піонером.
Продовживши далі очищати ядро від інших клітинних фрагментів, він одержав дивне мовлення. Воно не розкладалося протеолитическими ферментами, отже, було білком. Відсутність розчинності в гарячому спирті вказувала на те, що ця речовина не була фосфоліпідом. Очевидно, воно належало до нового класу біохімічних сполук.
У 1871 р.роботаМішера разом із підтверджуючими її контрольними роботами Гоппе-Зейлера та його помічників побачила світ.Існування нуклеїну як специфічної ядерної речовини стало науковим фактом. Незабаром методика Мішера була застосована для виділення нуклеїну із різних тканин.
Термін«нуклеїнові кислоти» було запропоновано в 1889: нуклеїновими вони були названі тому, що вперше були відкриті в ядрах клітин, а кислотами через наявність у їх складі залишків фосфорної кислоти. Пізніше було показано, що нуклеїнові кислоти побудовані з великої кількості нуклеотидів (від кількох десятків до сотень мільйонів). До складу кожного нуклеотиду входить азотна основа, вуглевод (пентоза) і фосфорна кислота.
2. Знаходження нуклеїнових кислот у природі
Нуклеїнові кислоти у природі зустрічаються у всіх живих клітинах. Живі клітини, за винятком сперматозоїдів, у нормі містять значно більше рибонуклеїнової, ніж дезоксирибонуклеїнової кислоти. На методи виділення дезоксирибонуклеїнових кислот вплинула та обставина, що, тоді як рибонуклеопротеїди і рибонуклеїнові кислоти розчиняються в розведеному (0,15 М) розчині хлористого натрію, дезоксирибонуклеопротеїдні комплекси фактично в ньому нерозчинні.
Тому гомогенізований орган або організм ретельно промивають розведеним сольовим розчином, з залишку за допомогою міцного сольового розчину екстрагують дезоксирибонуклеїнову кислоту, яку потім осаджують додаванням етанолу.
У клітинах еукаріотів (наприклад, тварин або рослин) ДНК знаходиться в ядрі клітини у складі хромосом, а також у деяких клітинних органоїдах (мітохондріях та пластидах). У клітинах прокаріотичних організмів (бактерій та архей) кільцева або лінійна молекула ДНК, так званий нуклеотид,прикріплена зсередини до клітинної мембрани. У них і нижчих еукаріотів (наприклад, дріжджів) зустрічаються також невеликі автономні, переважно кільцеві молекули ДНК, звані плазмідами. Крім того, одно- або дволанцюгові молекули ДНК можуть утворювати геном ДНК-вірусів.
3. Отримання нуклеїнових кислот
У клітинах нуклеїнові кислоти пов'язані з білками, утворюючи нуклеопротеїди. Виділення нуклеїнових кислот зводиться до їх очищення від білків. Для цього препарати, що містять нуклеїнові кислоти, обробляють ПАР та екстрагують білки фенолом. Послід, очищення та фракціонування нуклеїнових кислот проводяться за допомогою ультрацентрифугування, різних видів рідинної хроматографії та гель – електрофорезу. Для отримання індивідуальних нуклеїнових кислот використовують різні варіанти останнього методу.
Сучасні методи хімічного синтезу нуклеїнових кислот дозволяють одержувати великі фрагменти ДНК, зокрема цілі гени. Методичні основи хімічно – ферментативних методів синтезу ДНК розроблені X. Кораною.
Ø хімічний синтез комплементарних, олігонуклеотидів, що взаємоперекриваються, з яких потім в результаті комплементаційних взаємодій вибудовуються дуплекси - фрагменти молекули синтезованої ДНК з несупадними розривами в обох ланцюгах;
Ø з'єднання (лігування) таких олігонуклеотидів у складі дуплексу за допомогою ферменту Т4 ДНК-лігази. Складання протяжних ДНК із синтетично однотяжових олігонуклеотидів проводять у кілька етапів. Спочатку збирають невеликі дуплекси з "липкими" кінцями (однотяжовими комплементарними ділянками), з яких потім послідовно формують протяжніші структури. Таким чином можуть бути отримані штучні фрагменти ДНК великої довжини та з будь-якоюнуклеотидною послідовністю. За допомогою генетичної інженерії можливе клонування (отримання в індивідуальному вигляді та розмноження) штучних ДНК.
Незважаючи на малу ефективність цього методу, були синтезовані олігонуклеотиди, що містять до 16 ланок, з яких було зібрано перші синтетичні гени. Фосфодіефірний метод утворення міжнуклеотидних зв'язків, використаний Кораною, має історичне значення. Однак розроблені ним прийоми введення та вибіркові видалення захисних груп широко використовуються в інших методах синтезу нуклеїнових кислот.
Важливим кроком у вдосконаленні синтезу олігонуклеотидів сталарозробка так званого фосфотріефірного методу. Динуклеотид, що утворюється, після часткового деблокування фосфату конденсують аналогічним чином з іншими динуклеотидом і т.д. Застосування цього способу, в якому використовують захист фосфатної групи, дозволило значно скоротити час синтезу та підвищити виходи олігонуклеотидів.
Паралельно до цих методів, які здійснюють у розчинах, розроблялися твердофазні способи синтезу нуклеїнових кислот. В останньому випадку процес проводять у двофазній системі; нуклеозидний компонент пов'язаний ковалентно з нерозчинним полімером, а нуклеотидний компонент та необхідні реагенти знаходяться в розчині.
Зазвичай у цьому випадку на першій стадії нуклеозид приєднують за допомогою "якорної" групи до нерозчинного полімеру. Потім його 5'-гідроксильну групу деблокують і конденсують з нуклеотидним компонентом. У повністю захищеного динуклеозидмонофосфату, що утворюється, деблокують захисну групу в положенні 5' і приєднують наступному нуклеотид і т.д.
Найбільш поширені методи твердофазного синтезу олігонуклеотидів засновані на використанні нуклеотидногокомпонента, що міститьР(III).У так званому амідофосфітному способі нуклеотидним компонентом є ефір 3'-амідофосфіту дезоксинуклеозиду. Достатньо стійкі амідофосфіти при протонуванні в присутності тетразолу перетворюються на сильні агенти фосфорирующие. Після завершення синтезу видаляють захисні групи з фосфатів міжнуклеотидів, відокремлюють олігонуклеотид від носія, деблокують групи NH2 гетероциклів. Ліпофільну групу (МеО)2Тr видаляють після першого хроматографічного поділу.
Стандартність операцій у твердофазному синтезі олігонуклеотидів стала основою для автоматизації процесу. Принцип роботи автомата-синтезатора заснований на подачі в реактор за допомогою насоса (під контролем мікропроцесора) захищених нуклеотидних компонентів реагентів і розчинників за заданою програмою колонку, що містить полімерний носій із закріпленим на ньому першим нуклеозидом. Після закінчення синтезу та відділення повністю захищеного олігонуклеотиду від полімерного носія проводять деблокування, очищення та аналіз синтезованих фрагментів ДНК. Так, за допомогою гідрофосфорильного методу в автоматі - синтезаторі за кілька годин отримують 30-40-ланкові олігонуклеотиди; можливий синтез більш ніж 100-ланкових фрагментів ДНК. Розроблені синтезатори, що дозволяють проводити одночасно синтез декількох олігонуклеотидів.
Синтез олігорибонуклеотидів ферментативним шляхом здійснюють зазвичай з використанням рибонуклеаз або полінуклеотидфосфорілаз.
Як нуклеотидний і нуклеозидний компоненти застосовують мономери або олігонуклеотиди. Цю реакцію використовують для синтезу ді-, три-і тетрарибонуклеотидів. При збільшенні довжини олигорибонуклеотида починає переважати зворотна реакція (гідроліз олигонуклеотида).
Хімічний синтезолігорибонуклеотидів проводять в основному з використанням тих самих прийомів, як і при синтезі ДНК.
4. Хімічні властивості нуклеїнових кислот
ü добре розчиняються у воді
ü практично не розчиняються в органічних розчинниках.
ü дуже чутливі до дії температури та критичних значень рівня pH.
ü молекули ДНК з високою молекулярною масою, виділені з природних джерел, здатні фрагментуватися під дією механічних сил, наприклад, при перемішуванні розчину.
ü нуклеїнові кислоти фрагментуються ферментами - нуклеазами.
Хімічні властивості РНК.
Хімічні властивості ДНК.
У воді ДНК утворює в'язкі розчини, при нагріванні таких розчинів до 60°З або при дії лугів подвійна спіраль розпадається на дві складові ланцюга, які можуть об'єднатися, якщо повернутися до вихідних умов. У слабокислих умовах відбувається гідроліз, в результаті частково розщеплюються фрагменти – Р-О-СН2- з утворенням фрагментів – Р-ОН і НО-СН2 , відповідно в результаті утворюються мономерні, димерні (здвоєні) або зразкові (потроєні) кислоти, що являють собою ланки, з яких було зібрано ланцюг ДНК.
Участь ДНК та РНК у синтезі білків – одна з основних функцій нуклеїнових кислот. Білки – найважливіші компоненти кожного живого організму. М'язи, внутрішні органи, кісткова тканина, шкірний та волосяний покрив ссавців складаються з білків. Це полімерні сполуки, які збираються у живому організмі з різних амінокислот. У такій збірці керуючу роль відіграють нуклеїнові кислоти, процес проходить у дві стадії, причому на кожній з них визначальний фактор - взаємоорієнтація азотовмісних гетероциклів ДНК і РНК.
Основне завдання ДНК – зберігатизаписану інформацію та надавати у той момент, коли починається синтез білків. У зв'язку з цим зрозуміла підвищена хімічна стійкість ДНК проти РНК.
Природа подбала про те, щоб зберегти якомога основну інформацію недоторканною
5. Застосування нуклеїнових кислот
Останнє десятиліття характеризується інтенсивним розвитком технологій, орієнтованих створення пристроїв, дозволяють отримувати інформацію про властивості різних середовищ (об'єктів) у вигляді електричного сигналу. У сенсорних технологіях чутливий елемент здатний "дізнатися" досліджувана речовина серед безлічі споріднених і перетворити отриману інформацію про його присутність у відповідь, що фіксується в цифровій або аналоговій формі. Найбільший розвиток мають аналітичні пристрої, що використовують як впізнаючий елементбіомакромолекули - біосенсори.
В останні роки зріс інтерес до імуностимуляторів. Вперше нуклеїнові кислоти стали застосовувати у 1882 році з ініціативи Горбачевського при інфекційних захворюваннях стрепто- та стафілококового походження. В 1911 Чорноруцький встановив, що під впливом дріжджової нуклеїнової кислоти збільшується кількість імунних тіл.
Нуклеїнат натрію:збільшує фагоцитарну активність, активує полі- та мононуклеари, збільшує ефективність тетрациклінів при змішаній інфекції, викликаній стафілококом та синьогнійною паличкою. При профілактичному введенні нуклеїнат натрію обумовлює і противірусний ефект, оскільки має інтерфероногенну активність.
Особливе місце серед препаратів нуклеїнових кислот займає імунна РНК макрофагів, яка являє собою інформаційну РНК, яка вносить у клітину фрагмент антигену. Тобто йде неспецифічнастимуляція імунокомпетентних клітин нуклеотидами
Неспецифічними стимуляторами є синтетичні дволанцюгові полінуклеотиди, які стимулюють антитілоутворення, збільшують антигенний ефект неімуногенних доз антигену, що має антивірусні властивості, пов'язані з інтерфероногенною активністю. Їхній механізм дії складний і недостатньо з'ясований. Двонитчата РНК входить у систему регуляції синтезу білка у клітині, активно взаємодіючи з клітинної мембраною.
Але висока вартість препаратів, недостатня їх ефективність, наявність побічних явищ (нудота, блювання, зниження артеріального тиску, збільшення температури тіла, порушення функцій печінки, лімфопенія через пряму токсичну дію на клітини), відсутність схем використання застосовують застосування препаратів. обмеженим.
6. Цікаві факти
ü Майже півстоліття тому було відкрито принцип структурної (молекулярної) організації генної речовини – дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Структура ДНК надала ключ до механізму точного відтворення генної речовини. Так з'явилася нова наука – молекулярна біологія.
ü Накопичення знань про генетичний код, нуклеїнові кислоти і біосинтез білків призвело до утвердження принципово нової ідеї про те, що все починалося зовсім не з білків, а з РНК.
ü Відомо, що рибонуклеїнова кислота є основним переносником генетичної інформації від ДНК до білка. Тому багато захворювань пов'язані саме з неправильною передачею цієї інформації.
ü Досить несподівано виявилося, що у позаклітинних рідинах організму знаходиться дуже помітна кількість нуклеїнових кислот. До цього часу не зрозуміло, як вони туди потрапляють. Найпростішим було б припустити, що нуклеїнові кислотивиявляються у позаклітинному просторі при загибелі клітин. Однак є факти, що суперечать цьому припущенню.
ü Розшифрування структури ДНК (1953 р.) стало одним із поворотних моментів в історії біології. За видатний внесок у це відкриття Френсісу Крику, Джеймсу Вотсону, Морісу Вілкінсу було присуджено Нобелівську премію з фізіології та медицини 1962 року.