Nukleová kyselina - Nucleic acid
Nukleové kyseliny jsou biopolymery nebo velký biomolekuly, nezbytné pro všechny známé formy život. Termín nukleová kyselina je celkový název pro DNA a RNA. Skládají se z nukleotidy, což jsou monomery vyrobeno ze tří komponent: a 5-uhlíkový cukr, a fosfát skupina a dusíkatá báze. Pokud cukr je sloučenina ribóza, polymer je RNA (ribonukleová kyselina); pokud je cukr odvozen od ribózy jako deoxyribóza, polymer je DNA (deoxyribonukleová kyselina).
Nukleární kyseliny jsou nejdůležitější ze všech biomolekul. Ty se nacházejí v hojnosti ve všech živých věcech, kde fungují tak, že vytvářejí a kódují a poté ukládají informace o každé živé buňce každé formy života organismus na Zemi. Na druhé straně fungují tak, že přenášejí a vyjadřují tyto informace uvnitř i vně buněčného jádra - do vnitřních operací buňky a nakonec do další generace každého živého organismu. Zakódované informace jsou obsaženy a přenášeny prostřednictvím sekvence nukleové kyseliny, který poskytuje uspořádání „žebříkových kroků“ nukleotidů v molekulách RNA a DNA.
Řetězce nukleotidů jsou spojeny a vytvářejí spirálové páteře - obvykle jeden pro RNA, dva pro DNA - a sestaveny do řetězců párů bází vybraných z pěti primární nebo kanonické nukleové báze, což jsou: adenin, cytosin, guanin, thymin a uracil. Tymin se vyskytuje pouze v DNA a uracil pouze v RNA. Využití aminokyselin a proces známý jako proteosyntéza,[1] jejich specifické sekvenování v DNA páry nukleobází umožňuje ukládání a přenos kódovaný pokyny jako geny. V RNA umožňuje sekvenování párů bází výrobu nových proteinů, které určují rámce a části a většinu chemických procesů všech forem života.
Dějiny
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/bc/Friedrich_Miescher.jpg/220px-Friedrich_Miescher.jpg)
- Nuklein objevil Friedrich Miescher v roce 1869.[3]
- Na začátku 80. let 19. století Albrecht Kossel dále čistil látku a objevil její vysoce kyselé vlastnosti. Později také identifikoval nukleové báze.
- v 1889 Richard Altmann vytváří termín nukleová kyselina
- v 1938 Astbury a Bell zveřejnili první rentgenový difrakční obrazec DNA.[4]
- v 1953 Watson a Cricku určil struktura DNA.[5]
Experimentální studie nukleových kyselin tvoří hlavní součást moderních biologický a lékařský výzkum a tvoří základ pro genom a forenzní věda a biotechnologie a farmaceutický průmysl.[6][7][8]
Výskyt a názvosloví
Termín nukleová kyselina je obecný název pro DNA a RNA, členy rodiny biopolymery,[9] a je synonymem pro polynukleotid. Nukleové kyseliny byly pojmenovány pro svůj počáteční objev v rámci jádro a za přítomnost fosfátových skupin (souvisejících s kyselinou fosforečnou).[10] Ačkoli poprvé objeven v rámci jádro z eukaryotický buňky, nyní je známo, že nukleové kyseliny se nacházejí ve všech formách života, včetně uvnitř bakterie, archaea, mitochondrie, chloroplasty, a viry (Existuje debata o ať už jsou viry živé nebo neživé ). Všechny živé buňky obsahují DNA i RNA (s výjimkou některých buněk, jako jsou zralé červené krvinky), zatímco viry obsahují buď DNA, nebo RNA, ale obvykle ne obojí.[11]Základní složkou biologických nukleových kyselin je nukleotid, z nichž každý obsahuje pentózový cukr (ribóza nebo deoxyribóza ), a fosfát skupina a nukleobáze.[12]Nukleové kyseliny se také generují v laboratoři pomocí enzymy[13] (DNA a RNA polymerázy) a chemická syntéza v pevné fázi. Chemické metody také umožňují tvorbu pozměněných nukleových kyselin, které se v přírodě nenacházejí,[14] například peptidové nukleové kyseliny.
Molekulární složení a velikost
Nukleové kyseliny jsou obecně velmi velké molekuly. Ve skutečnosti jsou molekuly DNA pravděpodobně největšími známými jednotlivými molekulami. Dobře studované biologické molekuly nukleových kyselin mají velikost od 21 nukleotidů (malá interferující RNA ) na velké chromozomy (lidský chromozom 1 je jediná molekula, která obsahuje 247 milionů základní páry[15]).
Ve většině případů jsou to přirozeně se vyskytující molekuly DNA dvouvláknová a molekuly RNA jsou jednovláknové.[16] Existuje však řada výjimek - z některých virů jsou vytvořeny genomy dvouřetězcová RNA a další viry mají jednořetězcová DNA genomy,[17] a za určitých okolností struktury nukleových kyselin s tři nebo čtyři mohou se tvořit prameny.[18]
Nukleové kyseliny jsou lineární polymery (řetězce) nukleotidů. Každý nukleotid se skládá ze tří složek: a purin nebo pyrimidin nukleobáze (někdy nazývané dusíkatá báze nebo jednoduše základna), a pentóza cukr a fosfát skupina. Substruktura sestávající z nukleobáze plus cukru se nazývá a nukleosid. Typy nukleových kyselin se liší ve struktuře cukru v jejich nukleotidech - DNA obsahuje 2'-deoxyribóza zatímco RNA obsahuje ribóza (kde jediným rozdílem je přítomnost a hydroxylová skupina ). Také nukleobáze nalezené ve dvou typech nukleových kyselin jsou různé: adenin, cytosin, a guanin se nacházejí v RNA i DNA tymin se vyskytuje v DNA a uracil se vyskytuje v RNA.
Cukry a fosfáty v nukleových kyselinách jsou navzájem spojeny ve střídavém řetězci (hlavní řetězec cukr-fosfát) prostřednictvím fosfodiester vazby.[19] v konvenční nomenklatura, uhlíky, na které se fosfátové skupiny váží, jsou uhlíky na 3'-konci a 5'-konci cukru. To dává nukleové kyseliny směrovost a konce molekul nukleových kyselin jsou označovány jako 5'-konec a 3'-konec. Nukleové báze jsou spojeny s cukry prostřednictvím N-glykosidové vazby zahrnující dusík nukleobázového kruhu (N-1 pro pyrimidiny a N-9 pro puriny) a 1 'uhlík pentózového cukerného kruhu.
Nestandardní nukleosidy se také nacházejí jak v RNA, tak v DNA a obvykle vznikají modifikací standardních nukleosidů v molekule DNA nebo v primárním (počátečním) transkriptu RNA. Přeneste RNA (tRNA) molekuly obsahují zvláště velké množství modifikovaných nukleosidů.[20]
Topologie
Dvouvláknové nukleové kyseliny jsou tvořeny komplementárními sekvencemi, ve kterých jsou rozsáhlé Watson-Crickovo párování základen má za následek vysoce opakované a docela jednotné dvojšneková trojrozměrná struktura.[21] Naproti tomu jednovláknové molekuly RNA a DNA nejsou omezeny na pravidelnou dvojitou šroubovici a mohou se adoptovat vysoce složité trojrozměrné struktury které jsou založeny na krátkých úsecích intramolekulárních sekvencí párovaných bází, včetně Watson-Crickových i nekanonických párů bází, a široké škále komplexních terciárních interakcí.[22]
Molekuly nukleových kyselin jsou obvykle nerozvětvené a mohou se vyskytovat jako lineární a kruhové molekuly. Například bakteriální chromozomy, plazmidy, mitochondriální DNA a chloroplastová DNA jsou obvykle kruhové dvouvláknové molekuly DNA, zatímco chromozomy eukaryotického jádra jsou obvykle lineární dvouvláknové molekuly DNA.[11] Většina molekul RNA jsou lineární, jednořetězcové molekuly, ale z nich mohou vzniknout jak kruhové, tak rozvětvené molekuly Sestřih RNA reakce.[23] Celkové množství pyrimidinů se rovná celkovému množství purinů. Průměr šroubovice je asi 20Å.
Sekvence
Jedna molekula DNA nebo RNA se liší od druhé primárně v sekvence nukleotidů. Nukleotidové sekvence mají v biologii velký význam, protože nesou nejvyšší pokyny, které kódují všechny biologické molekuly, molekulární sestavy, subcelulární a buněčné struktury, orgány a organismy a přímo umožňují poznání, paměť a chování (vidět Genetika ). Obrovské úsilí bylo věnováno vývoji experimentálních metod pro stanovení nukleotidové sekvence biologických molekul DNA a RNA,[24][25] a dnes jsou to stovky milionů nukleotidů seřazeno denně v genomových centrech a menších laboratořích po celém světě. Kromě udržování databáze sekvencí nukleových kyselin GenBank, Národní centrum pro biotechnologické informace (NCBI, https://www.ncbi.nlm.nih.gov ) poskytuje zdroje pro analýzu a vyhledávání dat v GenBank a dalších biologických dat poskytovaných prostřednictvím webových stránek NCBI.[26]
Typy
Deoxyribonukleová kyselina
Deoxyribonukleová kyselina (DNA) je nukleová kyselina obsahující genetické pokyny používané při vývoji a fungování všech známých živých organismů. Segmenty DNA nesoucí tuto genetickou informaci se nazývají geny. Podobně mají jiné sekvence DNA strukturální účely nebo se podílejí na regulaci použití této genetické informace. Spolu s RNA a bílkovinami je DNA jednou ze tří hlavních makromolekul, které jsou nezbytné pro všechny známé formy života. DNA se skládá ze dvou dlouhých polymerů jednoduchých jednotek nazývaných nukleotidy, s páteři z cukrů a fosfátových skupin spojených esterovými vazbami. Tyto dva prameny probíhají v opačných směrech a jsou proto antiparalelní. Ke každému cukru je připojen jeden ze čtyř typů molekul nazývaných nukleové báze (neformálně, báze). Je to sekvence těchto čtyř nukleobází podél páteře, která kóduje informace. Tyto informace se čtou pomocí genetického kódu, který specifikuje sekvenci aminokyselin v proteinech. Tento kód se čte kopírováním úseků DNA do příbuzné RNA nukleové kyseliny v procesu zvaném transkripce. V buňkách je DNA organizována do dlouhých struktur nazývaných chromozomy. Během buněčného dělení jsou tyto chromozomy duplikovány v procesu replikace DNA, což poskytuje každé buňce vlastní kompletní sadu chromozomů. Eukaryotické organismy (zvířata, rostliny, houby a prvoci) ukládají většinu své DNA uvnitř buněčného jádra a část své DNA v organelách, jako jsou mitochondrie nebo chloroplasty. Naproti tomu prokaryota (bakterie a archea) ukládají svou DNA pouze v cytoplazmě. V chromozomech se proteiny chromatinu, jako jsou histony, zhutňují a organizují DNA. Tyto kompaktní struktury řídí interakce mezi DNA a jinými proteiny a pomáhají řídit, které části DNA jsou transkribovány.
Ribonukleová kyselina
Ribonukleová kyselina (RNA) funguje při přeměně genetické informace z genů na aminokyselinové sekvence proteinů. Tři univerzální typy RNA zahrnují přenosovou RNA (tRNA), messengerovou RNA (mRNA) a ribozomální RNA (rRNA). Messenger RNA působí tak, že přenáší informace o genetické sekvenci mezi DNA a ribozomy a řídí syntézu proteinů. Ribozomální RNA je hlavní složkou ribozomu a katalyzuje tvorbu peptidové vazby. Přeneste RNA slouží jako nosná molekula pro aminokyseliny, které mají být použity při syntéze proteinů, a je zodpovědná za dekódování mRNA. Kromě toho mnoho dalších třídy RNA jsou nyní známy.
Umělá nukleová kyselina
Umělý analogy nukleových kyselin byly navrženy a syntetizovány chemiky a zahrnují peptidová nukleová kyselina, morfolino - a uzamčená nukleová kyselina, glykolová nukleová kyselina, a threosová nukleová kyselina. Každá z nich se odlišuje od přirozeně se vyskytující DNA nebo RNA změnami na páteři molekul.
Viz také
- Porovnání simulačního softwaru nukleových kyselin
- Dějiny biochemie
- Dějiny molekulární biologie
- Historie biologie RNA
- Molekulární biologie
- Metody nukleových kyselin
- Metabolismus nukleových kyselin
- Struktura nukleové kyseliny
- Termodynamika nukleových kyselin
- Syntéza oligonukleotidů
- Kvantifikace nukleových kyselin
Poznámky
- ^ Říkal jim nuklein.
Reference
- ^ „Co je to DNA“. Co je to DNA. Linda Clarks. Citováno 6. srpna 2016.
- ^ Bill Bryson, Krátká historie téměř všeho „Broadway Books, 2015.p. 500.
- ^ Dahm R (leden 2008). „Objevování DNA: Friedrich Miescher a raná léta výzkumu nukleových kyselin“. Genetika člověka. 122 (6): 565–81. doi:10.1007 / s00439-007-0433-0. PMID 17901982. S2CID 915930.
- ^ Cox M, Nelson D (2008). Principy biochemie. Susan Winslow. p. 288. ISBN 9781464163074.
- ^ "Struktura DNA". Co je to DNA. Linda Clarks. Citováno 6. srpna 2016.
- ^ Lander ES, Linton LM, Birren B, Nusbaum C, Zody MC, Baldwin J a kol. (Únor 2001). „Počáteční sekvenování a analýza lidského genomu“ (PDF). Příroda. 409 (6822): 860–921. Bibcode:2001 Natur.409..860L. doi:10.1038/35057062. PMID 11237011.
- ^ Venter JC, Adams MD, Myers EW, Li PW, Mural RJ, Sutton GG a kol. (Únor 2001). „Sekvence lidského genomu“. Věda. 291 (5507): 1304–51. Bibcode:2001Sci ... 291.1304V. doi:10.1126 / science.1058040. PMID 11181995.
- ^ Budowle B, van Daal A (duben 2009). „Získávání důkazů z forenzních analýz DNA: budoucí směry molekulární biologie“. Biotechniky. 46 (5): 339–40, 342–50. doi:10.2144/000113136. PMID 19480629.
- ^ Elson D (1965). "Metabolismus nukleových kyselin (makromolekulární DNA a RNA)". Roční přehled biochemie. 34: 449–86. doi:10.1146 / annurev.bi.34.070165.002313. PMID 14321176.
- ^ Dahm R (leden 2008). „Objevování DNA: Friedrich Miescher a raná léta výzkumu nukleových kyselin“. Genetika člověka. nih.gov. 122 (6): 565–81. doi:10.1007 / s00439-007-0433-0. PMID 17901982. S2CID 915930.
- ^ A b Brock TD, Madigan MT (2009). Brockova biologie mikroorganismů. Pearson / Benjamin Cummings. ISBN 978-0-321-53615-0.
- ^ Hardinger, Steven; University of California, Los Angeles (2011). „Znalost nukleových kyselin“ (PDF). ucla.edu.
- ^ Mullis, Kary B. Polymerázová řetězová reakce (Nobelova přednáška). 1993. (vyvoláno 1. prosince 2010) http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1993/mullis-lecture.html
- ^ Verma S, Eckstein F (1998). "Modifikované oligonukleotidy: syntéza a strategie pro uživatele". Roční přehled biochemie. 67: 99–134. doi:10.1146 / annurev.biochem.67.1.99. PMID 9759484.
- ^ Gregory SG, Barlow KF, McLay KE, Kaul R, Swarbreck D, Dunham A a kol. (Květen 2006). „Sekvence DNA a biologická anotace lidského chromozomu 1“. Příroda. 441 (7091): 315–21. Bibcode:2006 Natur.441..315G. doi:10.1038 / nature04727. PMID 16710414.
- ^ Todorov TI, Morris MD (duben 2002). Národní institut zdraví. „Srovnání chování RNA, jednovláknové DNA a dvojvláknové DNA během kapilární elektroforézy v poloředěných polymerních roztocích“. Elektroforéza. nih.gov. 23 (7–8): 1033–44. doi:10.1002 / 1522-2683 (200204) 23: 7/8 <1033 :: AID-ELPS1033> 3.0.CO; 2-7. PMID 11981850.
- ^ Margaret Hunt; University of South Carolina (2010). „Strategie replikace virů RN“. sc.edu.
- ^ McGlynn P, Lloyd RG (srpen 1999). „Aktivita RecG helikázy u tří- a čtyřvláknových struktur DNA“. Výzkum nukleových kyselin. 27 (15): 3049–56. doi:10.1093 / nar / 27.15.3049. PMC 148529. PMID 10454599.
- ^ Stryer, Lubert; Berg, Jeremy Mark; Tymoczko, John L. (2007). Biochemie. San Francisco: W.H. Freemane. ISBN 978-0-7167-6766-4.
- ^ Rich A, RajBhandary UL (1976). "Transfer RNA: molekulární struktura, sekvence a vlastnosti". Roční přehled biochemie. 45: 805–60. doi:10.1146 / annurev.bi.45.070176.004105. PMID 60910.
- ^ Watson JD, Crick FH (duben 1953). "Molekulární struktura nukleových kyselin; struktura pro deoxyribosovou nukleovou kyselinu". Příroda. 171 (4356): 737–8. Bibcode:1953Natur.171..737W. doi:10.1038 / 171737a0. PMID 13054692. S2CID 4253007.
- ^ Ferré-D'Amaré AR, Doudna JA (1999). "RNA folds: insights from recent crystal structures". Roční přehled biofyziky a biomolekulární struktury. 28: 57–73. doi:10,1146 / annurev.biophys.28.1.57. PMID 10410795.
- ^ Alberts, Bruce (2008). Molekulární biologie buňky. New York: Garland Science. ISBN 978-0-8153-4105-5.
- ^ Gilbert, Walter G. 1980. Sekvenování DNA a struktura genů (Nobelova přednáška) http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1980/gilbert-lecture.html
- ^ Sanger, Frederick. 1980. Stanovení nukleotidových sekvencí v DNA (Nobelova přednáška) http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1980/sanger-lecture.html
- ^ Koordinátoři zdrojů NCBI (leden 2014). „Databázové zdroje Národního centra pro biotechnologické informace“. Výzkum nukleových kyselin. 42 (Problém s databází): D7-17. doi:10.1093 / nar / gkt1146. PMC 3965057. PMID 24259429.
Bibliografie
- Wolfram Saenger, Principy struktury nukleových kyselin1984, Springer-Verlag New York Inc.
- Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts a Peter Walter Molekulární biologie buňky, 2007, ISBN 978-0-8153-4105-5. Čtvrté vydání je k dispozici online prostřednictvím knihovny NCBI: odkaz
- Jeremy M Berg, John L Tymoczko a Lubert Stryer, Biochemie 5. vydání, 2002, W H Freeman. K dispozici online na knihovně NCBI: odkaz
- Astrid Sigel; Helmut Sigel; Roland K. O. Sigel, eds. (2012). Souhra mezi kovovými ionty a nukleovými kyselinami. Kovové ionty v biologických vědách. 10. Springer. doi:10.1007/978-94-007-2172-2. ISBN 978-94-007-2171-5. S2CID 92951134.
Další čtení
- Palou-Mir J, Barceló-Oliver M, Sigel RK (2017). „Kapitola 12. Role olova (II) v nukleových kyselinách“. In Astrid S, Helmut S, Sigel RK (eds.). Olovo: jeho účinky na životní prostředí a zdraví. Kovové ionty v biologických vědách. 17. de Gruyter. 403–434. doi:10.1515/9783110434330-012. PMID 28731305.