Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК - это удивительные молекулы, хранящие и передающие генетическую информацию всех живых организмов. От вирусов до высших растений и животных - все имеют свой неповторимый набор генов записанный на этих биополимерах. Ученые десятилетиями изучали их строение и функции. И сегодня, познав механизмы работы ДНК и РНК, мы открываем фантастические возможности в медицине, сельском хозяйстве, криминалистике. Давайте разберемся в удивительном мире нуклеиновых кислот!
Открытие ДНК и РНК: история вопроса
В 1868 году швейцарский врач Фридрих Мишер выделил из гноя ран неизвестное ранее вещество, которое он назвал «нуклеин», так как обнаружил его в ядрах лейкоцитов. Это была смесь ДНК и белков.
В 1889 году Рихард Альтман описал нуклеиновую кислоту как таковую и дал ей современное название. Он же предположил, что эта кислота несет наследственную информацию.
В 20 веке было установлено различие между ДНК и РНК. В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли двойную спираль ДНК. Это стало научной сенсацией и ключом к пониманию механизмов генетики. В последующие десятилетия было расшифровано строение разных форм РНК и многие этапы реализации генетической информации с участием этих полимеров.
Выяснение структуры ДНК открыло новую эпоху в биологии, так как позволило, наконец, понять, каким образом живые организмы хранят информацию, необходимую для регулирования их жизнедеятельности и каким образом передают эту информацию своему потомству.
Сегодня тысячи исследовательских групп по всему миру изучают нуклеиновые кислоты, находя все новые закономерности. Ученые активно работают над практическим применением этих открытий в медицине, сельском хозяйстве, промышленности. Перед человечеством открылись фантастические перспективы!
Нуклеотиды - кирпичики для ДНК и РНК
Нуклеиновые кислоты построены из более простых молекул, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из трех элементов:
- пятиуглеродного сахара (рибоза или дезоксирибоза);
- азотистого гетероциклического основания (одного из четырех типов);
- фосфорной кислоты.
Сахар и основание соединяются между собой с образованием нуклеозида. Затем к нуклеозиду присоединяется фосфатная группа, и получается уже нуклеотид - полноценный строительный блок для ДНК или РНК.
| Аденин | Гуанин | Цитозин | Тимин/Урацил |
| Пуриновое основание | Пуриновое основание | Пиримидиновое основание | Пиримидиновое основание |
В нуклеотидах встречаются четыре типа азотистых оснований. Пуриновые основания - аденин и гуанин. Пиримидиновые основания - цитозин, а также тимин в ДНК или урацил в РНК.
Нуклеотиды могут отличаться друг от друга именно типами входящих в их состав оснований и сахаров. Комбинируя эти молекулярные кирпичики, клетка синтезирует полимерные цепочки ДНК и различные виды РНК.
Сходства и различия ДНК и РНК
ДНК и РНК имеют много общего. И та и другая молекулы представляют собой биополимеры, построенные из остатков нуклеотидов. Они выполняют тесно взаимосвязанные функции хранения, передачи и реализации генетической информации в клетке. Но при этом ДНК и РНК имеют важные различия.
- В ДНК сахаром является дезоксирибоза, а в РНК - рибоза.
- ДНК содержит пиримидиновое основание тимин, а РНК в этой роли выступает урацил.
- ДНК обычно представлена в виде двух комплементарных нитей, а РНК - одноцепочечная.
Благодаря этим отличиям, ДНК более стабильна и приспособлена для долговременного хранения генетического кода. РНК же более подвержена химическим изменениям, зато может выполнять разнообразные активные функции в клетке.
Первичная структура ДНК
Первичная структура ДНК определяется последовательностью соединенных нуклеотидов в ее полимерной цепи. Эта структура имеет два важных свойства:
- Принцип комплементарности. Аденин в одной цепи всегда связан с тимином в другой цепи. Гуанин связан с цитозином. Таким образом формируется стабильная двойная спираль молекулы.
- Водородные связи между комплементарными основаниями. Они слабы по отдельности, но вместе скрепляют две цепи в очень прочную конструкцию.
Зная эти принципы первичной структуры ДНК, ученые разработали методы ее анализа и синтеза, широко используемые в молекулярной биологии, медицине, криминалистике.
Формы и разновидности РНК
В отличие от двухцепочечной ДНК, РНК бывает однонитевой и выполняет в клетке множество активных функций. Различают несколько основных форм этого полимера:
- Матричная РНК (мРНК) - переносит генетическую информацию с ДНК на рибосомы.
- Рибосомальные РНК (рРНК) - структурные компоненты рибосом, мест синтеза белка.
- Транспортные РНК (тРНК) - транспортируют аминокислоты для сборки полипептидов.
Кроме того, выделяют регуляторные (например, микроРНК) и вирусные РНК. Ученые активно изучают все эти разновидности, их "строение" и особые функции в живых клетках.
Методы выделения нуклеиновых кислот
Чтобы изучать "строение днк рнк" в лабораторных условиях, необходимо выделить эти полимеры из живых клеток или тканей. Существует несколько основных подходов:
- Разрушение клеточных стенок химическим или физическим способом.
- Обработка препарата поверхностно-активными веществами типа детергентов.
- Отделение растворенных нуклеиновых кислот от денатурированных белков.
- Осаждение ДНК или РНК из раствора спиртами, совместно с солями.
Полученные препараты нуклеиновых кислот анализируют на чистоту, концентрацию, возможную деградацию. Затем используют в различных экспериментах по изучению.
Хранение и передача генетической информации
Главная функция нуклеиновых кислот - хранение, передача из поколения в поколение и реализация генетической программы живых организмов. Этот процесс условно можно разбить на несколько этапов:
- ДНК хранит колоссальные объемы информации в виде последовательности нуклеотидов, зашифрованной в четырех «буквах» - A, T, G, C.
- При делении клетки происходит точное удвоение ДНК, передающее эту информацию дочерним клеткам.
- В процессе транскрипции участки ДНК копируются в молекулы РНК.
- На рибосомах РНК читается как матрица для синтеза конкретных белков.
Так реализуется генетическая программа развития и функционирования клеток и целых организмов. Нарушения на любом из этапов приводят к серьезным заболеваниям.
Нуклеиновые кислоты и медицина будущего
Успехи в изучении ДНК и РНК открывают фантастические возможности для медицины будущего. Уже сегодня разрабатываются методы генной терапии, позволяющие лечить тяжелые наследственные заболевания. В перспективе появится возможность:
- Выявлять предрасположенность к болезням по анализу ДНК пациентов.
- Лечить онкологию и другие болезни, изменяя активность генов.
- Выращивать доновые органы и ткани с заданными свойствами.
Реализация этих технологий потребует решения множества научных и этических вопросов. Но потенциал заложен колоссальный!
ДНК-анализ в криминалистике
Уникальность генетического кода каждого человека используется в криминалистике. По биологическим образцам с мест преступлений (кровь, волосы, слюна) выделяют ДНК и определяют ее профиль. Затем эти данные сравнивают с образцами подозреваемых.
Такое сопоставление часто бывает единственным доказательством вины или невиновности. В ряде случаев удается найти преступников даже по родственникам, если их профили ДНК совпадают наполовину.
Новые горизонты познания жизни
Исследуя структуру ДНК и РНК, ученые постепенно проникают в тайны устройства живого. Остается еще множество загадок:
- Каковы предельные возможности генетического кода?
- Как удалось возникнуть этой сложнейшей системе?
- Существует ли внеземная жизнь с иным кодом?
Ответы подскажет дальнейшее всестороннее изучение нуклеиновых кислот - уникальных биополимеров, возникших на заре жизни и ставших ее основой.
ДНК и РНК в биотехнологиях
Понимание принципов организации генетического кода позволяет человеку конструировать новые организмы с нужными свойствами. Уже получены бактерии для очистки нефтяных разливов, растения, устойчивые к вредителям и засухе. Ведутся работы:
- Создание микроорганизмов - эффективных продуцентов ценных веществ.
- Выведение новых сортов сельскохозяйственных растений с повышенным урожаем.
- Разработка тест-систем для экспресс-диагностики заболеваний.
Это лишь небольшая часть открывающихся возможностей. Благодаря достижениям молекулярной биологии, генная инженерия становится одним из перспективнейших направлений науки и техники XXI века.
