Химия Нуклеинови киселини, Реферат - Преподава не!
1. История на откриването и имената на нуклеиновите киселини
2. Намиране на нуклеинови киселини в природата
3. Получаване на нуклеинови киселини
4. Химични свойства на нуклеиновите киселини
5. Приложение на нуклеинови киселини
6. Интересни факти за нуклеиновите киселини
1. История на откриването на нуклеините и техните имена
Откриването на нуклеиновите киселини се свързва с името на млад лекар отград Базел (Швейцария) Фридрих Мишер. След като завършва Медицинския факултет, Мишер е изпратен да се усъвършенства и да работи върху дисертация в Тюбинген (Германия) във физиологична и химическа лаборатория, ръководена от Ф. Goppe-Seyler . Тюбингенската лаборатория е известна на научния свят по онова време. След стаж по органична химия Мишер започва работа в биохимична лаборатория. Той беше инструктиран да изследва химическия състав на гнойта. Младият учен не възрази срещу предложената тема, тъй като смяташе, че левкоцитите в гнойта са едни от най-простите клетки.
Чрез множество експерименти той получава вещество от ядрен произход от гнойни клетки. Мишер беше сигурен в ядрения му източник. Затова той започна по-задълбочен подбор на ядра. По това време никой в биохимичните лаборатории все още не се е опитвал да изолира ядра или други субклетъчни компоненти, така че и тук той е пионер.
Продължавайки да почиства ядрото от други клетъчни фрагменти, той получи странно вещество. Не е разграден от протеолитични ензими, което означава, че не е протеин. Липсата на разтворимост в горещ алкохол показва, че това вещество също не е фосфолипид. Очевидно то принадлежи към нов клас биохимични съединения.
През 1871 г.работаMishera, заедно с тестовите документи на Goppe-Seyler и неговите помощници, които го потвърждават, видяха бял свят.Съществуването на нуклеина като специфично ядрено вещество се превърна в научен факт. Скоро техниката на Мишер беше приложена за изолиране на нуклеин от различни тъкани.
Терминът„нуклеинови киселини“ е предложен през 1889 г.: те са наречени нуклеинови киселини, защото са открити за първи път в клетъчните ядра, и киселини поради наличието на остатъци от фосфорна киселина в техния състав. По-късно беше показано, че нуклеиновите киселини са изградени от голям брой нуклеотиди (от няколко десетки до стотици милиони). Всеки нуклеотид съдържа азотна основа, въглехидрат (пентоза) и фосфорна киселина.
2. Намиране на нуклеинови киселини в природата
Нуклеиновите киселини се намират естествено във всички живи клетки. Живите клетки, с изключение на сперматозоидите, обикновено съдържат значително повече рибонуклеинова киселина, отколкото дезоксирибонуклеинова киселина. Методите за изолиране на дезоксирибонуклеиновите киселини бяха силно повлияни от факта, че докато рибонуклеопротеините и рибонуклеиновите киселини са разтворими в разреден (0,15 М) разтвор на натриев хлорид, дезоксирибонуклеопротеиновите комплекси всъщност са неразтворими в него.
Следователно хомогенизираният орган или организъм се измива старателно с разреден физиологичен разтвор, дезоксирибонуклеиновата киселина се екстрахира от остатъка със силен физиологичен разтвор, който след това се утаява чрез добавяне на етанол.
В еукариотните клетки (например животни или растения) ДНК се намира в клетъчното ядро като част от хромозомите, както и в някои клетъчни органели (митохондрии и пластиди). В клетките на прокариотни организми (бактерии и археи), кръгова или линейна ДНК молекула, така нареченият нуклеотид,прикрепени вътрешно към клетъчната мембрана. Те и нисшите еукариоти (например дрожди) също имат малки автономни, предимно кръгли ДНК молекули, наречени плазмиди. В допълнение, едно- или двуверижни ДНК молекули могат да образуват генома на ДНК-съдържащи вируси.
3. Получаване на нуклеинови киселини
В клетките нуклеиновите киселини се свързват с протеини, за да образуват нуклеопротеини. Изолирането на нуклеиновите киселини се свежда до пречистването им от протеини. За да направите това, препаратите, съдържащи нуклеинови киселини, се третират с повърхностно активни вещества и протеините се екстрахират с фенол. Последването, пречистването и фракционирането на нуклеиновите киселини се извършват чрез ултрацентрофугиране, различни видове течна хроматография и гел електрофореза. За получаване на отделни нуклеинови киселини обикновено се използват различни варианти на последния метод.
Съвременните методи за химичен синтез на нуклеинови киселини позволяват получаването на големи ДНК фрагменти, включително цели гени. Методологичните основи на химико-ензимните методи за синтез на ДНК са разработени от X. Koran.
Ø химичен синтез на комплементарни, взаимно припокриващи се олигонуклеотиди, от които в резултат на комплементационни взаимодействия се изграждат дуплекси - фрагменти от синтезираната ДНК молекула с несъответстващи прекъсвания в двете вериги;
Ø свързване (лигиране) на такива олигонуклеотиди като част от дуплекс с помощта на ензима Т4 ДНК лигаза. Сглобяването на разширена ДНК от синтетично едноверижни олигонуклеотиди се извършва на няколко етапа. Първо се сглобяват малки дуплекси с "лепкави" краища (едноверижни комплементарни региони), от които впоследствие се формират по-разширени структури. По този начин, изкуствени ДНК фрагменти с голяма дължина и с всякаквинуклеотидна последователност. С помощта на генното инженерство е възможно клониране (получаване в индивидуална форма и възпроизвеждане) на изкуствена ДНК.
Въпреки ниската ефективност на този метод бяха синтезирани олигонуклеотиди, съдържащи до 16 единици, от които бяха сглобени първите синтетични гени. Фосфодиестерният метод за образуване на междунуклеотидни връзки, използван от Корана, е от историческо значение. Въпреки това, разработените от него техники за въвеждане и селективно отстраняване на защитни групи се използват широко в други методи за синтез на нуклеинови киселини.
Важна стъпка в подобряването на синтеза на олигонуклеотиди бешеразработването на така наречения фосфотриестерен метод. Полученият динуклеотид след частично деблокиране на фосфата се кондензира по подобен начин с други динуклеотиди и т.н. Използването на този метод, който използва защитата на фосфатната група, направи възможно значително намаляване на времето за синтез и увеличаване на добивите на олигонуклеотиди.
Успоредно с тези методи, които се извършват в разтвори, са разработени твърдофазни методи за синтез на нуклеинови киселини. В последния случай процесът се извършва в двуфазна система; нуклеозидният компонент е ковалентно свързан с неразтворим полимер, а нуклеотидният компонент и необходимите реагенти са в разтвор.
Обикновено в този случай, в първия етап, нуклеозидът е прикрепен чрез "котвена" група към неразтворимия полимер. Неговата 5'-хидроксилна група след това се освобождава от защита и се слива с нуклеотидния компонент. Полученият напълно защитен динуклеозид монофосфат се деблокира на 5' позиция и се прикрепя към следващия нуклеотид и т.н.
Най-разпространените методи за твърдофазов синтез на олигонуклеотиди се основават на използването на нуклеотидкомпонент, съдържащP(III).В така наречения амидофосфитен метод, нуклеотидният компонент е 3'-амидофосфитният естер на дезоксинуклеозид. Достатъчно стабилни амидофосфити, когато се протонират в присъствието на тетразол, се превръщат в силни фосфорилиращи агенти. След завършване на синтеза, защитните групи се отстраняват от интернуклеотидните фосфати, олигонуклеотидът се отделя от носителя и NH2 групите на хетероциклите се деблокират. Липофилната група (MeO)2Tr се отстранява след първото хроматографско разделяне.
Стандартизирането на операциите в твърдофазния синтез на олигонуклеотиди беше основата за автоматизация на процеса. Принципът на действие на автоматичния синтезатор се основава на подаването на защитени нуклеотидни компоненти на реагенти и разтворители към реактора с помощта на помпа (под контрола на микропроцесор) по зададена програма в колона, съдържаща полимерен носител с първия нуклеозид, прикрепен към него. След завършване на синтеза и отделяне на напълно защитения олигонуклеотид от полимерния носител, синтезираните ДНК фрагменти се деблокират, пречистват и анализират. Така, използвайки хидрофосфорилния метод в автоматичен синтезатор, 30-40-мерни олигонуклеотиди се получават за няколко часа; повече от 100-мерни ДНК фрагменти могат да бъдат синтезирани Разработени са синтезатори, които позволяват едновременен синтез на няколко олигонуклеотида.
Синтезът на олигорибонуклеотиди ензимно обикновено се извършва с помощта на рибонуклеази или полинуклеотидни фосфорилази.
Мономери или олигонуклеотиди се използват като нуклеотидни и нуклеозидни компоненти. Тази реакция се използва за синтеза на ди-, три- и тетрарибонуклеотиди. С увеличаване на дължината на олигорибонуклеотида започва да преобладава обратната реакция (хидролиза на олигонуклеотида).
Химичен синтезолигорибонуклеотидите се извършват главно с помощта на същите техники, както при синтеза на ДНК.
4. Химични свойства на нуклеиновите киселини
ü силно разтворим във вода
са практически неразтворими в органични разтворители.
ü много чувствителни към температура и критични нива на pH.
ü ДНК молекули с високо молекулно тегло, изолирани от естествени източници, могат да се фрагментират под действието на механични сили, например при разбъркване на разтвора.
Нуклеиновите киселини се фрагментират от ензими, наречени нуклеази.
Химични свойства на РНК.
Химични свойства на ДНК.
Във вода ДНК образува вискозни разтвори; когато такива разтвори се нагреят до 60 ° C или под действието на основи, двойната спирала се разпада на две компонентни вериги, които отново могат да бъдат комбинирани, ако се върнете към първоначалните условия. При слабо киселинни условия настъпва хидролиза, в резултат на което фрагментите - P-O-CH2- се разцепват частично с образуването на фрагменти - съответно P-OH и HO-CH2, в резултат на което се образуват мономерни, димерни (двойни) или приблизителни (тройни) киселини, които са връзките, от които е сглобена ДНК веригата.
Участието на ДНК и РНК в протеиновия синтез е една от основните функции на нуклеиновите киселини. Протеините са най-важните компоненти на всеки жив организъм. Мускулите, вътрешните органи, костната тъкан, кожата и косата на бозайниците са съставени от протеини. Това са полимерни съединения, които се сглобяват в жив организъм от различни аминокиселини. В такъв монтаж нуклеиновите киселини играят контролираща роля, процесът протича на два етапа, като във всеки от тях определящ фактор евзаимната ориентация на азотсъдържащите хетероцикли на ДНК и РНК.
Основната задача на ДНК е да съхранявазаписана информация и предоставят в момента, в който започне протеиновият синтез. В това отношение повишената химическа стабилност на ДНК в сравнение с РНК е разбираема.
Природата се е погрижила основната информация да бъде възможно най-неприкосновена.
5. Приложение на нуклеинови киселини
Последното десетилетие се характеризира с интензивно развитие на технологии, които са насочени към създаването на устройства, които позволяват получаване на информация за свойствата на различни среди (обекти) под формата на електрически сигнал. В сензорните технологии чувствителният елемент е в състояние да "разпознае" тестваното вещество сред много сродни и да преобразува получената информация за неговото присъствие в отговор, записан в цифрова или аналогова форма. Най-развити са аналитичните устройства, които използватбиомакромолекули - биосензорикато разпознаващ елемент.
През последните години се засили интересът към имуностимулантите. За първи път нуклеиновите киселини започват да се използват през 1882 г. по инициатива на Горбачевски за инфекциозни заболявания от стрепто- и стафилококов произход. През 1911 г. Черноруцки установява, че под въздействието на нуклеиновата киселина на дрождите се увеличава броят на имунните тела.
Натриев нуклеинат:увеличава фагоцитната активност, активира поли- и мононуклеарните клетки, повишава ефективността на тетрациклините при смесени инфекции, причинени от стафилококи и Pseudomonas aeruginosa. При профилактично приложение натриевият нуклеинат също предизвиква антивирусен ефект, тъй като има интерфероногенна активност.
Специално място сред препаратите на нуклеинова киселина заемаимунната РНК на макрофагите, която е информационна РНК, която въвежда антигенен фрагмент в клетката. Тоест има неспецифичностимулиране на имунокомпетентни клетки с нуклеотиди.
Неспецифичните стимуланти са синтетични двойноверижни полинуклеотиди, които стимулират образуването на антитела, повишават антигенния ефект на неимуногенни дози от антиген, който има антивирусни свойства, свързани с интерфероногенна активност. Механизмът им на действие е сложен и не е добре разбран. Двуверижната РНК е включена в системата за регулиране на протеиновия синтез в клетката, активно взаимодействаща с клетъчната мембрана.
Но високата цена на лекарствата, тяхната недостатъчна ефективност, наличието на странични ефекти (гадене, повръщане, понижаване на кръвното налягане, повишена телесна температура, нарушена чернодробна функция, лимфопения - поради директни токсични ефекти върху клетките), липсата на модели на употребаправят употребата на лекарства ограничена.
6. Интересни факти
ü Преди почти половин век е открит принципът на структурната (молекулярна) организация на генното вещество – дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК). Структурата на ДНК дава ключа към механизма за точното възпроизвеждане на генното вещество. Така се появи нова наука - молекулярна биология.
ü Натрупването на знания за генетичния код, нуклеиновите киселини и биосинтезата на протеините доведе до утвърждаването на принципно нова идея, че всичко започва не с протеини, а с РНК.
ü Известно е, че рибонуклеиновата киселина е основният носител на генетична информация от ДНК до протеин. Затова много заболявания са свързани именно с неправилното предаване на тази информация.
ü Съвсем неочаквано беше установено, че в извънклетъчните течности на тялото има много забележимо количество нуклеинови киселини. Все още не е ясно как стигат до там. Най-простото би било да приемем, че нуклеиновите киселинисе освобождават в извънклетъчното пространство при клетъчна смърт. Има обаче факти, които противоречат на това предположение.
ü Дешифрирането на структурата на ДНК (1953) е една от повратните точки в историята на биологията. Франсис Крик, Джеймс Уотсън и Морис Уилкинс са удостоени с Нобелова награда за физиология или медицина през 1962 г. за техния изключителен принос към това откритие.