Строение, свойства и функции нуклеиновых кислот

14 . Рибонуклеиновые кислоты, их виды, строение, назначение.

   РНК —
класс нуклеиновых
кислот,линейных полимеровнуклеотидов,
в состав которых входят остаток фосфорной
кислоты, рибоза (в отличие отДНК,
содержащей дезоксирибозу) и азотистые
основания -аденин,цитозин,гуанини
урацил (в отличие от ДНК, содержащий
вместо урацила тимин). Эти молекулы
содержатся в клетках всех живых
организмов, а также в некоторых
вирусов.
РНК содержатся главным образом
вцитоплазме
клеток. Эти
молекулы синтезируются в клетках всех
клеточных живых организмов, а также
содержатся в вироидах и некоторых
вирусах. 

Основные функции РНК в
клеточных организмах — это шаблон для
трансляции генетической информации в
белки и поставка соответствующих
аминокислот к рибосомам. В вирусах
является носителем генетической
информации (кодирует белки оболочки и
ферменты вирусов).

Структура
РНК.

Молекула
имеет однонитевое строение. Полимер. В
результате взаимодействия нуклеотидов
друг с другом молекула РНК приобретает
вторичную структуру, различной формы
(спираль, глобула и т.д.). Мономером РНК
является нуклеотид (молекула, в состав
которой входит азотистое основание,
остаток фосфорной кислоты и сахар
(пептоза)). РНК напоминает по своему
строению одну цепь ДНК. Нуклеотиды,
входящие в состав РНК: гуанин, аденин,
цитозин, урацил. Аденин и гуанин относятся
к пуриновым основаниям, цитозин и урацил
к пиримидиновым. В отличие от молекулы
ДНК, в качестве углеводного компонента
рибонуклеиновой кислоты выступает не
дезоксирибоза, а рибоза. Вторым
существенным отличием в химическом
строении РНК от ДНК является отсутствие
в молекуле рибонуклеиновой кислоты
такого нуклеотида как тимин. В
РНК он заменён на урацил.

Виды
и типы РНК клеток.

Существуют
три типа РНК, каждый из которых выполняет
свою особую роль в синтезе белка.

1.
Матричная
РНК
переносит генетический код из ядра в
цитоплазму, определяя таким образом
синтез разнообразных белков.

2.
Транспортная
РНК
переносит активированные аминокислоты
к рибосомам для синтеза полипептидных
молекул.

3.
Рибосомная
РНК
в комплексе примерно с 75 разными белками
формирует рибосомы — клеточные органеллы,
на которых происходит сборка полипептидных
молекул.

Матричная
РНК
представляет собой длинную одноцепочечную
молекулу, присутствующую в цитоплазме.
Эта молекула РНК содержит от нескольких
сотен до нескольких тысяч нуклеотидов
РНК, образующих кодоны, строго
комплементарные триплетам ДНК.

Еще
один тип РНК, играющий важнейшую роль
в синтезе белка, называют транспортной
РНК,
поскольку он транспортирует аминокислоты
к строящейся молекуле белка. Каждая
транспортная РНК специфически связывается
только с одной из 20 аминокислот,
составляющих белковые молекулы.
Транспортные РНК действуют как переносчики
специфических аминокислот, доставляя
их к рибосомам, на которых происходит
сборка полипептидных молекул.

Каждая
специфическая транспортная РНК распознает
«свой» кодон матричной РНК, прикрепившейся
к рибосоме, и доставляет соответствующую
аминокислоту на соответствующую позицию
в синтезируемой полипептидной цепи.
Цепь транспортной РНК гораздо короче
матричной РНК, содержит всего около 80
нуклеотидов и упакована в форме клеверного
листа. На одном конце транспортной РНК
всегда находится аденозинмонофосфат
(АМФ), к которому через гидроксильную
группу рибозы прикрепляется транспортируемая
аминокислота. Транспортные РНК служат
для прикрепления специфических
аминокислот к строящейся полипептидной
молекуле, поэтому необходимо, чтобы
каждая транспортная РНК обладала
специфичностью и в отношении соответствующих
кодонов матричной РНК. Код, посредством
которого транспортная РНК распознает
соответствующий кодон на матричной
РНК, также является триплетом и его
называют антикодоном. Антикодон
располагается примерно посередине
молекулы транспортной РНК. Во время
синтеза белка азотистые основания
антикодона транспортной РНК прикрепляются
с помощью водородных связей к азотистым
основаниям кодона матричной РНК. Таким
образом, на матричной РНК выстраиваются
в определенном порядке одна за другой
различные аминокислоты, формируя
соответствующую аминокислотную
последовательность синтезируемого
белка.

Использование в медицине

Открытие того из чего состоит молекула ДНК дало толчок к развитию множества новых услуг и направлений экспериментальной медицины. Благодаря новым технологиям, которые стали возможны вследствие исследования генома, сегодня почти любому доступны:

1.      Диагностика заболеваний на сверхранней стадии. Анализ позволяет выявить инфекцию, даже если заболевание находится в инкубационном периоде, и нет ни каких симптомов.
2.      Определение отцовства. Так же материнства и прочих родственных связей. При этом различные тесты можно проводить, как с участием потенциальных родителей, так и без них.
3.      Тестирование на непереносимость пищевых продуктов. Какие вещества хорошо усваиваются организмом, какие плохо или не усваиваются вовсе, что вызывает аллергические реакции – всё это расскажут результаты индивидуального исследования.
4.      Анализ этнической принадлежности – с какими народами перекрещивались далекие предки, и какие национальности формируют вас сегодня.
5.      Исследование на наличие наследственных заболеваний, в том числе и спящих, которые передаются через поколение и более.

И это только самые востребованные тесты, имеющие коммерческий интерес и полезные для простого обывателя. Если говорить о перспективах лабораторных научных исследований, то многие учёные-генетики не без энтузиазма готовятся совершить самое великое открытие за всю человеческую историю — победить болезни и саму смерть.

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

Что такое ДНК и РНК

Биологические науки, изучающие принципы хранения, реализации и передачи генетической информации, структуру и функции нерегулярных биополимеров относятся к молекулярной биологии.

Биополимеры, высокомолекулярные органические соединения, которые образовались из остатков нуклеотидов, являются нуклеиновыми кислотами. Они хранят информацию о живом организме, определяют его развитие, рост, наследственность. Эти кислоты участвуют в биосинтезе белка.

Различают два вида нуклеиновых кислот, содержащихся в природе:

• ДНК — дезоксирибонуклеиновая;
• РНК — рибонуклеиновая.

О том, что такое ДНК, миру было поведано в 1868 году, когда ее открыли в клеточных ядрах лейкоцитов и сперматозоидов лосося. Позже они были обнаружены во всех животных и растительных клетках, а также в бактериях, вирусах и грибах. В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик в результате рентгено-структурного анализа выстроили модель, состоящую из двух полимерных цепей, которые закручены спиралью одна вокруг другой. В 1962 году эти ученые были удостоены Нобелевской премии за свое открытие.

Методы выделения

Разработаны различные способы получения соединений из естественных источников. Главными условиями этих методик являются результативное разделение нуклеиновых кислот и белков, наименьшая фрагментация веществ, полученных в ходе процесса. На сегодняшний день широко используется классический способ. Суть этого метода заключается в разрушении стенок биологического материала и дальнейшей их обработке анионным детергентом. В результате получается осадок из белка, а нуклеиновые кислоты остаются в растворе. Используется и другой метод. В этом случае нуклеиновые кислоты могут оседать в гелевом состоянии с помощью использования этанола и солевого раствора

При этом следует соблюдать определенную осторожность. В частности, добавлять этанол нужно с большой аккуратностью в солевой раствор для получения гелевого осадка

В какой концентрации выделилась нуклеиновая кислота, какие примеси в ней присутствуют, можно определить спектрофотометрическим методом. Нуклеиновые кислоты с легкостью подвергаются деградации с помощью нуклеазы, представляющей особый класс ферментов. При таком выделении необходимо, чтобы лабораторное оборудование прошло обязательную обработку ингибиторами. К ним относится, например, ингибитор DEPC, который применяется при выделении РНК.

Бизнес и финансы

БанкиБогатство и благосостояниеКоррупция(Преступность)МаркетингМенеджментИнвестицииЦенные бумагиУправлениеОткрытые акционерные обществаПроектыДокументыЦенные бумаги — контрольЦенные бумаги — оценкиОблигацииДолгиВалютаНедвижимость(Аренда)ПрофессииРаботаТорговляУслугиФинансыСтрахованиеБюджетФинансовые услугиКредитыКомпанииГосударственные предприятияЭкономикаМакроэкономикаМикроэкономикаНалогиАудитМеталлургияНефтьСельское хозяйствоЭнергетикаАрхитектураИнтерьерПолы и перекрытияПроцесс строительстваСтроительные материалыТеплоизоляцияЭкстерьерОрганизация и управление производством

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.

Молекула ДНК

Молекулу ДНК можно представить как двойную спираль: она состоит из двух цепей, закрученные друг вокруг друга. Нуклеотиды обеих цепей расположены так, что азотсодержащие основы одной цепи содержатся напротив азотсодержащих оснований другой, образуя пары. Между основаниями возникают слабые водородные связи. Несмотря на слабость, большое их количество (сотни тысяч и миллионы) приводит к тому, что обе цепи прочно держатся вместе.

Модель молекулы ДНК – двойная спираль. Фрагмент молекулы.

Основы взаимодействуют между собой так, что напротив основы А первой цепи всегда располагается основа Т другой, а напротив Г — всегда Ц. Такое соответствие в расположении нуклеотидов называется комплиментарностью

Эта закономерность имеет важное значение для обеспечения процессов копирования молекул ДНК и переписки с них информации на молекулы РНК. Вместе с тем такая особенность строения молекулы ДНК приводит к тому, что структура первой цепи комплементарно повторяет структуру второй, то есть из последовательности одной из спиралей может восстанавливаться последовательность другой в случае ее разрушения

Это важно для защиты молекулы ДНК от повреждений вследствие негативных химических или физических воздействий. Итак, такое строение молекулы ДНК обеспечивает выполнение своей основной функции — сохранение наследственной информации. В клетках, которые имеют ядра, молекулы ДНК связаны с белками, называемыми гистонами.

Информационная рибонуклеиновая кислота

Такие молекулы еще называют матричными. Они составляют в клетке примерно два процента от всего количества. В клетках эукариот они синтезируются в ядрах на ДНК-матрицах, переходя затем в цитоплазму и связываясь с рибосомами. Далее, они становятся матрицами для синтеза белка: к ним присоединяются транспортные РНК, которые несут аминокислоты. Так происходит процесс преобразования информации, которая реализуется в уникальной структуре белка. В некоторых вирусных РНК она к тому же является хромосомой.

Жакоб и Мано являются открывателями этого вида. Не имея жесткой структуры, ее цепь образует изогнутые петли. Не работая, и-РНК собирается в складки и сворачивается в клубок, а в рабочем состоянии разворачивается.

и-РНК несет в себе информацию о последовательности аминокислот в белке, который синтезируется. Каждая аминокислота закодирована в определенном месте при помощи генетических кодов, которым свойственны:

• триплетность — из четырех мононуклеотидов возможно выстроить шестьдесят четыре кодона (генетического кода);
• неперекрещиваемость — информация движется в одном направлении;
• непрерывность — принцип работы сводится к тому, что одна и-РНК — один белок;
• универсальность — тот или иной вид аминокислоты кодируется у всех живых организмов одинаково;
• вырожденность — известными являются двадцать аминокислот, а кодонов — шестьдесят один, то есть они кодируются несколькими генетическими кодами.

Чем РНК отличается от ДНК

Большинство из вас слышали о трехбуквенных аббревиатурах ДНК и РНК. Некоторые из вас могут даже знать, к чему они относятся. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) часто упоминается в связи с тем, что она в буквальном смысле диктует дальнейшее развитие организма.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) является менее популярной аббревиатурой, чем ДНК, так как она не в центре внимания, но она так же важна.

Хотя между этими двумя молекулами есть много общего (да, они являются молекулами), их различия гораздо более интересны, ведь именно в этом кроются их основные функции.

По данным Национальной медицинской библиотеки США, ДНК каждого человека состоит из трех миллиардов фундаментальных единиц. Кроме того, более 99 процентов этих единиц одинаковы для всех людей

Другими словами, посмотрите вокруг и обратите внимание, насколько мы все разные. Только 1% из трех миллиардов достаточно, чтобы сделать нас уникальными во многих отношениях

Эти фундаментальные блоки в последовательности ДНК образуют гены, так же как буквы в предложении создают слова. Подобно тому, как мы используем слова, чтобы доносить свои мысли друг другу, клетка использует гены в качестве инструкций для создания белков.

ДНК и РНК являются частью одного из самых важных понятий в биологии, а именно центральной догмы, которая относится к процессу превращения ДНК в РНК, которая превращается в белок.

ДНК, расположенная глубоко внутри клетки в ее ядре, превращается в РНК во время процесса, который называется транскрипцией. Эта РНК, будучи копией ДНК, затем транслируется во все белки, которые делают нас теми, кто мы есть, и поддерживают наши жизненные процессы. Эта центральная догма уже указывает на два существенных различия между ДНК и РНК:

1. ДНК транскрибируется в РНК

ДНК жизненно важна для размножения клеток и для развития организмов. ДНК содержит все гены, которые превращают организм в то, чем он является. Таким образом, ДНК драгоценна и должна быть защищена. Он расположен в ядре, которое никогда не покидает.

Во время транскрипции копии ДНК создаются в форме РНК, которая в свою очередь продолжает кодировать белки.

Разница между этими двумя молекулами заключается в том, что процесс транскрипции идет только одним путем, а именно ДНК превращается в РНК, и никогда наоборот.

2. РНК транслируется в белки

Итак, учитывая вышесказанное, РНК является копией ДНК и готова к превращению в белки.

Этот процесс называется трансляцией, и он происходит в рибосомах или небольших процессорных единицах, которые читают строительные блоки РНК, называемые нуклеотидами.

Учитывая эти два различия, вы уже много знаете о двух молекулах. Одно из сходств между ними состоит в том, что оба являются длинноцепочечными молекулами или длинными цепочками букв, которые являются важными строительными блоками для всего, что следует после, а именно для нуклеотидов. Нуклеотидов всего четыре, что подводит нас к следующему различию между двумя молекулами.

3. Нуклеотидная последовательность

Молекула ДНК состоит из четырех нуклеотидов, а именно цитозина, гуанина, аденина и тимина. Каждый нуклеотид состоит из фосфатной группы, сахарной группы и азотистого основания. Молекула РНК также представляет собой цепочку из четырех нуклеотидов, а именно цитозина, гуанина, аденина и урацила.

4. Одна спираль, две спирали

ДНК является двухспиральной молекулой. РНК, с другой стороны, состоит только из одной цепи нуклеотидов. Две цепи ДНК удерживается вместе молекулярными связями между нуклеотидами, в результате чего цитозин связывается с гуанином, а аденин связывается с тимином (или урацилом в РНК).

5. Различные типы молекул РНК

Существует несколько различных моделей молекул РНК в зависимости от выполняемых функций. К ним относятся биологически активные РНК, такие как иРНК, тРНК и рРНК. Первая, а именно иРНК, несет информацию ДНК из ядра в рибосому.

В свою очередь, тРНК относится к трансферной РНК, которая важна для распознавания трехбуквенного кода, или кодона, который кодирует конкретную аминокислоту.

Рибосомная РНК, или рРНК, лежит в основе рибосомального механизма, который производит белки благодаря связыванию аминокислот.

Теперь, когда вы знаете немного больше о ДНК и РНК, будьте уверены, что между этими двумя молекулами есть еще больше различий. Они подчеркивают не только то, насколько продвинулись наши представления о молекулярной биологии, но и то, насколько точной и элегантной является природа матери в процессах, которые так важны в жизни.