Нуклеиновые кислоты

Как и для чего делают ДНК тест?

Так как ДНК содержится в каждой клетке нашего тела, изучая генетический материал – кровь, кожу, волосы, слюну и т.п. – с помощью принципов микробиологии – ученые могут узнать владельца конкретной ДНК. Однако для получения точных результатов специалисты советуют сдать кровь из вены. Сегодня анализ ДНК позволяет определить наследственную предрасположенность к разным заболеваниям, которыми страдали или страдают родственники человека. Одним из таких заболеваний является шизофрения – в своей предыдущей статье я подробно рассказывала о том, почему эту болезнь так сложно лечить и изучать.

Более того, проанализировав ДНК специалисты могут рассказать о том, какие заболевания могут возникнуть у человека в будущем, определить индивидуальную непереносимость лекарств, склонность к наркомании и алкоголизму и многое другое.

ДНК есть у всех живых организмов.

Наиболее распространенным тестом ДНК является метод полимеразной цепной реакции или ПЦР. На сегодняшний день это один из новейших и наиболее точных способов диагностики. Несмотря на то, что этот метод до сих пор считается экспериментальным, он широко и успешно применяется в медицине. Так, большинство тестов на наличие/отсутствие в организме нового коронавируса SARS-CoV-2, которые проводятся во всем мире, являются именно ПЦР-тесты. Метод ПЦР в 1993 году разработал ученый Кэри Муллис, который получил за свое открытие Нобелевскую премию. Суть метода заключается в применении особых ферментов, которые много раз копируют фрагменты ДНК возбудителей болезни (как, например, с коронавирусом) которые можно обнаружить в пробах генетического материала, например в крови. Затем специалисты сверяют полученные фрагменты с базой данной, что позволяет выявить тип возбудителя болезни и его количество в организме.

Так выглядит амплификатор

Однако выявление и определение склонности к заболеваниям не является единственной областью, в которой прибегают к использованию тестов ДНК. Так, появление ДНК-тестов – как в свое время дактилоскопия (метод определения отпечатков пальцев) – изменило криминалистику. Благодаря анализу ДНК следователи имеют возможность собрать генетический материал преступника и поймать его. Но самое популярное использование ДНК-тестов – определение отцовства. Возможно дело в том, что этот анализ позволяет получить практически 100% результат. Недавно мой коллега Николай Хижняк в своей статье подробно рассказал о будущих возможностях исследования ДНК, рекомендую к прочтению.

Подводя черту отмечу, что сегодня загадка кода ДНК еще не раскрыта. Мы стоим в самом начале познания, что же это такое на самом деле? Приоткрыв небольшую щелочку двери мы можем только догадываться о том, какие перспективы в будущем для человека может открыть понимание что такое ДНК и как мы можем использовать эти знания!

Строение и функции ДНК

ДНК — полимер, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды. Модель пространственного строения молекулы ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком (для построения этой модели они использовали работы М. Уилкинса, Р. Франклин, Э. Чаргаффа).

Молекула ДНК образована двумя полинуклеотидными цепями, спирально закрученными друг около друга и вместе вокруг воображаемой оси, т.е. представляет собой двойную спираль (исключение — некоторые ДНК-содержащие вирусы имеют одноцепочечную ДНК). Диаметр двойной спирали ДНК — 2 нм, расстояние между соседними нуклеотидами — 0,34 нм, на один оборот спирали приходится 10 пар нуклеотидов. Длина молекулы может достигать нескольких сантиметров. Молекулярный вес — десятки и сотни миллионов. Суммарная длина ДНК ядра клетки человека — около 2 м. В эукариотических клетках ДНК образует комплексы с белками и имеет специфическую пространственную конформацию.

Мономер ДНК — нуклеотид (дезоксирибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания нуклеиновых кислот относятся к классам пиримидинов и пуринов. Пиримидиновые основания ДНК (имеют в составе своей молекулы одно кольцо) — тимин, цитозин. Пуриновые основания (имеют два кольца) — аденин и гуанин.

Моносахарид нуклеотида ДНК представлен дезоксирибозой.

Название нуклеотида является производным от названия соответствующего основания. Нуклеотиды и азотистые основания обозначаются заглавными буквами.

Полинуклеотидная цепь образуется в результате реакций конденсации нуклеотидов. При этом между 3′-углеродом остатка дезоксирибозы одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает фосфоэфирная связь (относится к категории прочных ковалентных связей). Один конец полинуклеотидной цепи заканчивается 5′-углеродом (его называют 5′-концом), другой — 3′-углеродом (3′-концом).

Против одной цепи нуклеотидов располагается вторая цепь. Расположение нуклеотидов в этих двух цепях не случайное, а строго определенное: против аденина одной цепи в другой цепи всегда располагается тимин, а против гуанина — всегда цитозин, между аденином и тимином возникают две водородные связи, между гуанином и цитозином — три водородные связи. Закономерность, согласно которой нуклеотиды разных цепей ДНК строго упорядоченно располагаются (аденин — тимин, гуанин — цитозин) и избирательно соединяются друг с другом, называется принципом комплементарности. Следует отметить, что Дж. Уотсон и Ф. Крик пришли к пониманию принципа комплементарности после ознакомления с работами Э. Чаргаффа. Э. Чаргафф, изучив огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, установил, что в любом фрагменте ДНК содержание остатков гуанина всегда точно соответствует содержанию цитозина, а аденина — тимину («правило Чаргаффа»), но объяснить этот факт он не смог.

Из принципа комплементарности следует, что последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой.

Цепи ДНК антипараллельны (разнонаправлены), т.е. нуклеотиды разных цепей располагаются в противоположных направлениях, и, следовательно, напротив 3′-конца одной цепи находится 5′-конец другой. Молекулу ДНК иногда сравнивают с винтовой лестницей. «Перила» этой лестницы — сахарофосфатный остов (чередующиеся остатки дезоксирибозы и фосфорной кислоты); «ступени» — комплементарные азотистые основания.

Функция ДНК — хранение и передача наследственной информации.

Транскрипция

Синтез всех молекул происходит во время транскрипции, то есть переписывании генетической информации с определенного оперона ДНК. Процесс в некоторых моментах похож на репликацию, а в других существенно отличается от нее.

Сходствами являются следующие части:

• начало идет с деспирализации ДНК;
• происходит разрыв водородных связей между основаниями цепей;
• к ним комплементарно подстраиваются НТФ;
• происходит образование водородных связей.

Отличия от репликации:

• при транскрипции расплетается лишь участок ДНК, соответствующий транскриптону, в то время как при репликации расплетению подвергается вся молекула;
• при транскрипции подстраивающиеся НТФ содержат рибозу, и вместо тимина урацил;
• информация списывается лишь с определенного участка;
• после образования молекулы водородные связи и синтезированная цепь разрываются, а цепь соскальзывает с ДНК.

Для нормального функционирования первичная структура РНК должна состоять только из списанных с экзонов ДНК-участков.

У только что образованных РНК начинается процесс созревания. Молчащие участки вырезаются, а информативные сшиваются, образуя полинуклеотидную цепь. Далее, каждый вид имеет присущие только ему превращения.

В и-РНК происходит присоединение к начальному концу. К конечному участку присоединяется полиаденилат.

В т-РНК модифицируются основания, образуя минорные виды.

У р-РНК также метилируются отдельные основания.

Защищают от разрушения и улучшают транспортировку в цитоплазму белки. РНК в зрелом состоянии с ними соединяются.

Молекула РНК – структура

Пиримидиновое основание тимина в РНК

РНК может быть трех видов, в зависимости от тех функций, которые выполняются в организме:

• информационная (иРНК) — очень разнообразная по нуклеотидному составу. Она является своего рода матрицей для синтеза белковой молекулы, переносит генетическую информацию к рибосомам от ДНК;
• транспортная (тРНК) в среднем состоит из 75-95 нуклеотидов. Она переносит необходимую аминокислоту в рибосоме к месту синтеза полипептида. У каждого вида тРНК и есть своя, присущая только ему последовательность нуклеотидов или мономеров;
• рибосомальная (рРНК) обычно одержит от 3000 до 5000 нуклеотидов. Рибосом является необходимым структурным ом компонент участвующим в важнейшем процессе, происходящем в клетке – биосинтезе белка.

Способы выделения

Гелеобразный осадок нуклеиновой кислоты

Описаны многочисленные методики выделения нуклеиновых кислот из природных источников. Основными требованиями, предъявляемыми к методу выделения, являются эффективное отделение нуклеиновых кислот от белков, а также минимальная степень фрагментации полученных препаратов. Классический метод выделения ДНК был описан в 1952 году и используется в настоящее время без значительных изменений. Клеточные стенки исследуемого биологического материала разрушаются одним из стандартных методов, а затем обрабатываются анионным детергентом. При этом белки выпадают в осадок, а нуклеиновые кислоты остаются в водном растворе. ДНК может быть осаждена в виде геля осторожным добавлением этанола к её солевому раствору. Концентрацию полученной нуклеиновой кислоты, а также наличие примесей (белки, фенол) обычно определяют спектрофотометрически по поглощению на А₂₆₀ нм.

Нуклеиновые кислоты легко деградируют под действием особого класса ферментов — нуклеаз

В связи с этим при их выделении важно обработать лабораторное оборудование и материалы соответствующими ингибиторами. Так, например, при выделении РНК широко используется такой ингибитор рибонуклеаз как DEPC.

Пцр диагностика вирусного гепатита с

Количественная ПЦР – молекулярно-биологический анализ, при котором подсчитывается количество генетического материала возбудителя в крови. Исследование на гепатит С (количественно) выполняется после подтверждения диагноза для определения вирусной нагрузки. Полимеразная цепная реакция характеризуется высокой специфичностью и чувствительностью. Поэтому анализ считается золотым стандартом в диагностике гепатита С.

Среди воспалительных заболеваний, поражающих печень, особую угрозу для жизни человека представляет гепатит С. Причиной заражения может стать нарушение правил стерильности во время процедуры переливания крови. Намного реже инфицирование происходит в результате полового контакта, а также во время родов, когда болеющая мать заражает новорожденного.

Коварство гепатита С в длительном отсутствии симптомов, которые могли бы помочь раньше начать лечение. Обычно признаки проявляются, когда болезнь переходит в самую тяжелую стадию, а цирроз или карциному уже сложно вылечить.

С переходом острого гепатита в стадию хронической патологии, возможны следующие варианты развития болезни:

• каждый пятый пациент выздоравливает после вовремя назначенного лечения;
• часть больных переходит в группу носителей вируса (неактивная форма хронического заболевания);
• у остальных заболевших прогресс хронической фазы подтверждают признаки поражения печени.

Момент перехода острого этапа в хроническую форму зафиксировать сложно. Причина в постепенном нарастании симптомов медленного поражения печени с отсутствием признаков желтухи.

Проявления HCV часто маскируются под симптоматику других заболеваний: повышенная температура, утомляемость, отсутствие аппетита. Потеря веса сопутствует скрытому прогрессированию болезни на протяжении десятков лет.

Популяция вируса скрытно поражает клеточную структуру крови, страдает также печень. Обнаружить фрагменты РНК возбудителя удается только при помощи ПЦР тестирования образцов крови на гепатит С.

Современные методики лечения новейшими препаратами позволяют не только вылечить патологию, но также избавить организм от вируса. Для этого необходимо установить его генотип и уровень концентрации в организме пациента.

Тест-системы некоторых лабораторий не оснащены соответствующими реагентами. Отсутствие возможности детерминирования субтипов генома приводит к выдаче результатов о невозможности типирования РНК.

В этом случае необходимо подтверждение диагноза методами дополнительных исследований с использованием основных маркеров гепатита. Обнаружение в крови человека иммуноглобулинов М и G сигнализирует о развитии в организме процесса, не характерного для здорового состояния.

Инфицирование печени приводит к серьезным последствиям, особенно если речь идет о гепатите С. Это заболевание протекает бессимптомно и почти не поддается лечению, за что прозвано «ласковым убийцей». Достаточно одного контакта с кровью инфицированного человека, чтобы заразиться.

Вирус HСV может никак себя не проявить даже после инкубационного периода. Однако у некоторых больных всё же наблюдаются характерные симптомы гепатита С: вялость, боли в животе, боль в суставах, отсутствие аппетита, рвота, осветление кала, потемнение мочи, желтуха. Как правило, они появляются спустя 6–7 недель после инфицирования.

Для подтверждения или опровержения диагноза необходимо сдать кровь на анализ. Сначала делается скрининг-тест на наличие антител к вирусу HСV. (эти белковые вещества вырабатываются иммунной системой). Если результат положительный, исследование продолжается. Применяется метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), отличающийся высокой точностью.

Положительный анализ на гепатит С – крайне тревожный сигнал, который говорит о развитии болезни, способной спровоцировать развитие цирроза, рака печени или другого смертельно опасного недуга.

Вирусный гепатит опасен тем, что может не давать о себе знать десятилетиями, постепенно разрушая печень человека и подвергая опасности окружающих. Расшифровка анализа на вирусную нагрузку при гепатите С позволяет обнаружить эту болезнь на раннем этапе.

Это значит, что есть возможность вовремя начать лечение заболевания: чем раньше это сделать, тем выше шансы на полное выздоровление.

Вирусная нагрузка — это показатель, который отражает концентрацию вируса гепатита С в крови. Он определяется при помощи анализа, проводящегося по методике ПЦР, синонимом является РНК ВГС или RNA HCV.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты — это органические соединения, обладающие высокомолекулярными свойствами. В их состав входят водород, углерод, азот и фосфор.

Они были открыты в 1869 году Ф. Мишером, который исследовал гной. Однако тогда его открытию не придали особого значения. Лишь позже, когда эти кислоты обнаружили во всех животных и растительных клетках, пришло понимание огромной их роли.

Существуют два вида нуклеиновых кислот: РНК и ДНК (рибонуклеиновые и дезоксирибонуклеиновые кислоты). Настоящая статья посвящена рибонуклеиновой кислоте, но для общего понимания рассмотрим также, что собой представляет ДНК.

Сравнение с ДНК

Между ДНК и РНК есть три основных отличия:

1. ДНК содержит сахар дезоксирибозу, РНК — рибозу, у которой есть дополнительная, по сравнению с дезоксирибозой, гидроксильная группа. Эта группа увеличивает вероятность гидролиза молекулы, то есть уменьшает стабильность молекулы РНК.
2. Нуклеотид, комплементарный аденину, в РНК не тимин, как в ДНК, а урацил — неметилированная форма тимина.
3. ДНК существует в форме , состоящей из двух отдельных молекул. Молекулы РНК, в среднем, гораздо короче и преимущественно одноцепочечные.

Структурный анализ биологически активных молекул РНК, включая тРНК, рРНК, мяРНК и другие молекулы, которые не кодируют белков, показал, что они состоят не из одной длинной спирали, а из многочисленных коротких спиралей, расположенных близко друг к другу и образующих нечто, похожее на третичную структуру белка. В результате этого РНК может катализировать химические реакции, например, пептидил-трансферазный центр рибосомы, участвующий в образовании пептидной связи белков, полностью состоит из РНК.

Чем опасен гепатит С и как его выявить

Заразиться вирусом гепатита С может каждый. Если раньше эта болезнь передавалась преимущественно в среде наркоманов, то теперь наблюдается всплеск инфицирования практически во всех слоях населения. Гепатит С передается с кровью, поэтому заразиться им можно даже в медицинском учреждении или в салоне красоты.

Инкубационный период недуга составляет до полугода. Но бессимптомное развитие заболевания в хронической форме может длиться десятилетиями. В этот период поражается печень, вызывая цирроз и рак. Остро выраженный гепатит С проявляется:

• повышением температуры тела;
• апатией и усталостью;
• тошнотой, рвотой;
• неприятными ощущениями в области живота и суставах;
• желтухой кожи и склер.

При первых же подобных симптомах необходим скрининг, диагностика и лечение.

Всемирная организация здравоохранения неоднократно высказывала беспокойство темпами заражения гепатитом С во многих странах. В целях профилактики рекомендуют ежегодно сдавать анализ крови на это заболевание — серологический скрининг на антитела ВГС.

При выявлении гепатита С в организме человека проводят тест на рибонуклеиновую кислоту (РНК), чтобы определить форму заболевания — острую или хроническую.

При первом типе недуга около 1/3 всех пациентов не нуждаются в лечении, поскольку иммунная система этих людей самостоятельно справляется с инфекцией. Но одним из отличий вируса является его способность к мутации — изменчивости в строении гена.

Благодаря этому он может ускользать от иммунной системы и практически беспрепятственно разрушать здоровые клетки. В таком случае тест на РНК укажет на хроническую форму заболевания. Врачу при этом нужно будет:

1. определить степень поражения печени (фиброз, цирроз) с помощью биопсии;
2. провести установление генотипа вируса гепатита С.

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.

На первой стадии часть двойной спирали раскрывается, освободившиеся ветви расходятся, и на группах А, Т, Г и Ц, оказавшихся доступными, начинается синтез РНК, называемой матричной РНК, поскольку она как копия с матрицы точно воспроизводит информацию, записанную на раскрывшемся участке ДНК. Напротив группы А, принадлежащей молекуле ДНК, располагается фрагмент будущей матричной РНК, содержащий группу У, все остальные группы располагаются друг напротив друга в точном соответствии с тем, как это происходит при образовании двойной спирали ДНК (рис. 13).

По указанной схеме образуются полимерная молекула матричной РНК, содержащая несколько тысяч мономерных звеньев.

На втором этапе матричная ДНК перемещается из ядра клетки в околоядерное пространство – цитоплазму. К полученной матричной РНК подходят так называемые транспортные РНК, которые несут с собой (транспортируют) различные аминокислоты. Каждая транспортная РНК, нагруженная определенной аминокислотой, приближается к строго обусловленному участку матричной РНК, нужное место обнаруживается с помощью все того же принципа взаимосоответствия групп А—У, и Г—Ц. В конечном итоге две аминокислоты, оказавшиеся рядом, взаимодействуют между собой, так начинается сборка будущей белковой молекулы (рис. 14).

Важная деталь состоит в том, что временное взаимодействие матричной и транспортной РНК проходит всего по трем группам, например, к триаде Ц—Ц—У матричной кислоты может подойти только соответствующая ей тройка Г—Г—А транспортной РНК, которая непременно несет с собой аминокислоту глицин (рис. 14). Точно также к триаде Г—А—У может приблизиться лишь набор Ц—У—А, транспортирующий только аминокислоту лейцин. Таким образом, последовательность групп в матричной РНК указывает, в каком порядке должны соединяться аминокислоты. Кроме того, система содержит в закодированном виде дополнительные регулирующие правила, некоторые последовательности из трех групп матричной РНК указывает на то, что в этом месте синтез белка должен остановиться, т.е. молекула достигла необходимой длины.

Показанный на рис. 14 синтез белка проходит с участием еще одного – третьего вида РНКислот, они входят в состав рибосом и потому их называют рибосомными. Рибосома, представляющая собой ансамбль определенных белков рибосомных РНК, обеспечивает взаимодействие матричной и транспортной РНК, играя роль конвейерной ленты, которая передвигает матричную РНК на один шаг после того, как произошло соединение двух аминокислот.

Основной смысл двухстадийной схемы, показанной на рис. 13 и 14, состоит в том, что полимерная цепь белковой молекулы собирается из различных аминокислот в намеченном порядке и строго по тому плану, который был записан в закодированном виде на определенном участке ДНК. Таким образом, ДНК представляет собой отправную точку всего этого запрограммированного процесса.

В процессе жизнедеятельности белки постоянно расходуются, и потому они регулярно воспроизводятся по описанной схеме, весь синтез белковой молекулы, состоящей из сотен аминокислот, проходит в живом организме приблизительно в течение одной минуты.

Первые исследования нуклеиновых кислот были проведены во второй половине 19 в., понимание того, что в ДНК зашифрована вся информация о живом организме, пришло в середине 20 в., структуру двойной спирали ДНК установили в 1953 Дж.Уотсон и Ф.Крик на основании данных рентгеноструктурного анализа, что признано крупнейшим научным достижением 20 столетия. В середине 70-х годов 20 в. появились методики расшифровки детальной структуры нуклеиновых кислот, а вслед за тем были разработаны способы их направленного синтеза. Сегодня ясны далеко не все процессы, происходящие в живых организмах с участием нуклеиновых кислот, и сегодня это одна из самых интенсивно развивающихся областей науки.

Михаил Левицкий

Кратко о строении РНК

Итак, РНК, рибонуклеиновая кислота, – это биополимер, молекула которого представляет собой цепочку, образованную четырьмя видами нуклеотидов. Каждый нуклеотид, в свою очередь, состоит из азотистого основания (аденина А, гуанина Г, урацила У либо цитозина Ц) в соединении с сахаром рибозой и остатком фосфорной кислоты. Фосфатные остатки, соединяясь с рибозами соседних нуклеотидов, «сшивают» составные блоки РНК в макромолекулу – полинуклеотид. Так образуется первичная структура РНК.

Вторичная структура – образование двойной цепочки – образуется на некоторых участках молекулы в соответствии с принципом комплементарности азотистых оснований: аденин образует пару с урацилом посредством двойной, а гуанин с цитозином — тройной водородной связи.

В рабочей форме молекула РНК образует также третичную структуру – особое пространственное строение, конформацию.

Что такое рибонуклеиновая кислота?

РНК — это нуклеиновая кислота с мономерами, называющимися рибонуклеотидами.

По химическим свойствам она очень похожа на ДНК, так как обе являются полимерами нуклеотидов, представляющих собой фосфолированный N-гликозид, который выстроен на остатке пентозы (пятиуглеродного сахара), с фосфатной группой пятого углеродного атома и основания азота при первом углеродном атоме.

Она представляет собой одну полинуклеотидную цепочку (кроме вирусов), которая намного короче, чем у ДНК.

Один мономер РНК — это остатки следующих веществ:

• основания азота;
• пятиуглеродного моносахарида;
• кислоты фосфора.

РНК имеют пиримидиновые (урацил и цитозин) и пуриновые (аденин, гуанин) основания. Рибоза является моносахаридом нуклеотида РНК.

Расшифровка количественного исследования

После проведения диагностики, интерпретировать полученный результат могут только врачи, так как он изображен должен быть не в цифрах, а в словах. Согласно статистике, количественный ПЦР — это самый чувствительный анализ. Для того чтобы понять присутствует ли в организме вирус ,необходимо понимать и знать, что количественный анализ на гепатит С расшифровывается с помощью цифрового обозначения (норматива) инфекции:

Стоит отметить, что несмотря на критерии стандартов, случаются исключения, при которых врачам удавалось при результате > 2,4х10(7) МЕ/мл поставить человека на ноги. Следовательно, итог зависит и от иммунной системы человека, положительная динамика которой стала редкостью в современном мире.

Норма

Если человек здоров и его ничего не беспокоит, то итогом проведенной диагностики будет являться “не обнаружено”. А вот у тех, кто уже заболел, но при этом проводит комплексное лечение, то улучшение показателей — это сигнал к выздоровлению. К примеру, самый благоприятный диапазон вирусных рамок колеблется от 1,8х10 (2) до 2,4х10 (7) МЕ/мд, где 600 МЕ/мл — низкая концентрация, 3х10 (4) МЕ/мл — средняя, а более 8х10 (5) мЕ/Мл — уже высокая.