Рнк структура и функции. РНК и ДНК. РНК - это что такое? РНК: строение, функции, виды. Строение и функции АТФ
Ри-бо-ну-кле-и-но-вая кис-ло-та (РНК) - по-ли-мер, мо-но-ме-ра-ми ко-то-рой яв-ля-ют-ся ри-бо-ну-к-лео-ти-ды. Об-ра-зо-ва-ние по-ли-ме-ра про-ис-хо-дит так же, как и у ДНК, за счет фос-фо-ди-эфир-ной связи между остат-ком фос-фор-ной кис-ло-ты и ри-бо-зой.
Мо-но-ме-ры РНК в со-ста-ве нук-лео-ти-дов со-дер-жат пя-ти-уг-ле-род-ный сахар (пен-то-за), фос-фор-ную кис-ло-ту (оста-ток фос-фор-ной кис-ло-ты) и азо-ти-стое ос-но-ва-ние.
Азо-ти-стые ос-но-ва-ния РНК - ура-цил, ци-то-зин, аде-нин и гу-а-нин. Мо-но-са-ха-рид нук-лео-ти-да РНК пред-став-лен ри-бо-зой
РНК - од-но-це-поч-ная мо-ле-ку-ла зна-чи-тель-но мень-ших раз-ме-ров, чем мо-ле-ку-ла ДНК.
Мо-ле-ку-ла РНК со-дер-жит от 75 до 10 000 нук-лео-ти-дов.
РНК-со-дер-жа-щие ви-ру-сы
Мно-гие ви-ру-сы, на-при-мер вирус грип-па, со-дер-жат в ка-че-стве един-ствен-ной нук-ле-и-но-вой кис-ло-ты мо-ле-ку-лу РНК. РНК-со-дер-жа-щих ви-ру-сов, бо-лез-не-твор-ных для че-ло-ве-ка, боль-ше, чем ДНК-со-дер-жа-щих. Они вы-зы-ва-ют по-лио-ми-е-лит, ге-па-тит А, ост-рые про-студ-ные за-бо-ле-ва-ния.
Ар-бо-ви-ру-сы - ви-ру-сы, ко-то-рые пе-ре-но-сят-ся чле-ни-сто-но-ги-ми. Яв-ля-ют-ся воз-бу-ди-те-ля-ми кле-ще-во-го и япон-ско-го эн-це-фа-ли-та, а также жел-той ли-хо-рад-ки.
Рео-ви-ру-сы, ред-кие воз-бу-ди-те-ли ре-спи-ра-тор-ных и ки-шеч-ных за-бо-ле-ва-ний че-ло-ве-ка, стали пред-ме-том осо-бо-го на-уч-но-го ин-те-ре-са из-за того, что их ге-не-ти-че-ский ма-те-ри-ал пред-став-лен в виде двух-це-поч-ной мо-ле-ку-лы РНК.
Также су-ще-ству-ют ре-тро-ви-ру-сы, ко-то-рые вы-зы-ва-ют ряд он-ко-ло-ги-че-ских за-бо-ле-ва-ний.
В за-ви-си-мо-сти от стро-е-ния и вы-пол-ня-е-мой функ-ции раз-ли-ча-ют три ос-нов-ных типа РНК: ри-бо-сом-ную, транс-порт-ную и ин-фор-ма-ци-он-ную (мат-рич-ную).
1. Ин-фор-ма-ци-он-ная РНК
Как по-ка-за-ли ис-сле-до-ва-ния, ин-фор-ма-ци-он-ная РНК со-став-ля-ет 3-5 % от об-ще-го со-дер-жа-ния РНК в клет-ке. Это од-но-це-поч-ная мо-ле-ку-ла, ко-то-рая об-ра-зо-вы-ва-ет-ся в про-цес-се тран-скрип-ции на одной из цепей мо-ле-ку-лы ДНК. Это свя-за-но с тем, что ДНК у ядер-ных ор-га-низ-мов на-хо-дят-ся в ядре, а син-тез белка про-ис-хо-дит на ри-бо-со-мах в ци-то-плаз-ме, по-это-му воз-ник-ла необ-хо-ди-мость в «по-сред-ни-ке». Функ-цию «по-сред-ни-ка» вы-пол-ня-ет мат-рич-ная РНК, она пе-ре-да-ет ин-фор-ма-цию о струк-ту-ре белка из ядра кле-ток, где на-хо-дит-ся ДНК, к ри-бо-со-мам, где эта ин-фор-ма-ция ре-а-ли-зу-ет-ся.
В за-ви-си-мо-сти от объ-е-ма ко-пи-ру-е-мой ин-фор-ма-ции, мо-ле-ку-ла мат-рич-ной РНК может иметь раз-лич-ную длину.
Боль-шин-ство мат-рич-ных РНК су-ще-ству-ют в клет-ке непро-дол-жи-тель-ное время. В бак-те-ри-аль-ных клет-ках су-ще-ство-ва-ние таких РНК опре-де-ля-ет-ся ми-ну-та-ми, а в клет-ках мле-ко-пи-та-ю-щих (в эрит-ро-ци-тах) син-тез ге-мо-гло-би-на (белка) про-дол-жа-ет-ся после утра-ты эрит-ро-ци-та-ми ядра в те-че-ние несколь-ких дней.
2. Ри-бо-сом-ная РНК
Ри-бо-сом-ные РНК со-став-ля-ют 80 % от всех ри-бо-сом, при-сут-ству-ю-щих в клет-ке. Эти РНК син-те-зи-ру-ют-ся в яд-рыш-ке, а в клет-ке они на-хо-дят-ся в ци-то-плаз-ме, где вме-сте с бел-ка-ми об-ра-зу-ют ри-бо-со-мы. На ри-бо-со-мах про-ис-хо-дит син-тез белка. Здесь «код», за-клю-чен-ный в мат-рич-ную РНК, транс-ли-ру-ет-ся в ами-но-кис-лот-ную по-сле-до-ва-тель-ность мо-ле-ку-лы белка.
3. Транс-порт-ная РНК
Транс-порт-ные РНК (см. Рис. 7) об-ра-зу-ют-ся в ядре на ДНК, а затем пе-ре-хо-дят в ци-то-плаз-му.
На долю таких РНК при-хо-дит-ся около 10 % от об-ще-го со-дер-жа-ния РНК в клет-ке. Они имеют самые ко-рот-кие мо-ле-ку-лы из 80-100 нук-лео-ти-дов.
Транс-порт-ные РНК при-со-еди-ня-ют к себе ами-но-кис-ло-ту и транс-пор-ти-ру-ют ее к месту син-те-за белка, к ри-бо-со-мам.
Все из-вест-ные транс-порт-ные РНК за счет ком-пле-мен-тар-но-го вза-и-мо-дей-ствия между азо-ти-сты-ми ос-но-ва-ни-я-ми об-ра-зо-вы-ва-ют вто-рич-ную струк-ту-ру, по форме на-по-ми-на-ю-щую лист кле-ве-ра. В мо-ле-ку-ле тРНК есть два ак-тив-ных участ-ка - три-плет ан-ти-ко-дон на одном конце и ак-цеп-тор-ный уча-сток, при-со-еди-ня-ю-щий ами-но-кис-ло-ту, на дру-гом.
Каж-дой ами-но-кис-ло-те со-от-вет-ству-ет ком-би-на-ция из трех нук-лео-ти-дов, ко-то-рая носит на-зва-ние три-плет .
Ко-ди-ру-ю-щие ами-но-кис-ло-ты три-пле-ты - ко-до-ны ДНК - пе-ре-да-ют-ся в виде ин-фор-ма-ции три-пле-тов (ко-до-нов) мРНК. У вер-хуш-ки кле-вер-но-го листа тРНК рас-по-ла-га-ет-ся три-плет нук-лео-ти-дов, ко-то-рый ком-пле-мен-та-рен со-от-вет-ству-ю-ще-му ко-до-ну мРНК. Этот три-плет раз-ли-чен для тРНК, пе-ре-но-ся-щих раз-ные ами-но-кис-ло-ты, и ко-ди-ру-ет имен-но ту ами-но-кис-ло-ту, ко-то-рая пе-ре-но-сят-ся дан-ной тРНК. Он по-лу-чил на-зва-ние ан-ти-ко-дон .
Ак-цеп-тор-ный конец яв-ля-ет-ся «по-са-доч-ной пло-щад-кой» для опре-де-лен-ной ами-но-кис-ло-ты.
Таким об-ра-зом, раз-лич-ные типы РНК пред-став-ля-ют собой еди-ную функ-ци-о-наль-ную си-сте-му, на-прав-лен-ную на ре-а-ли-за-цию на-след-ствен-ной ин-фор-ма-ции через син-тез белка.
Кон-цеп-ция РНК мира за-клю-ча-ет-ся в том, что ко-гда-то очень давно мо-ле-ку-ла РНК могла вы-пол-нять функ-цию как мо-ле-ку-лы ДНК, так и бел-ков.
В живых ор-га-низ-мах прак-ти-че-ски все про-цес-сы про-ис-хо-дят бла-го-да-ря фер-мен-там бел-ко-вой при-ро-ды. Белки, од-на-ко, не могут са-мо-реп-ли-ци-ро-вать-ся и син-те-зи-ру-ют-ся в клет-ки на ос-но-ва-нии ин-фор-ма-ции, за-ло-жен-ной в ДНК. Но и удво-е-ние ДНК про-ис-хо-дит толь-ко бла-го-да-ря уча-стию бел-ков и РНК. Сле-до-ва-тель-но, об-ра-зу-ет-ся за-мкну-тый круг, из-за ко-то-ро-го в рам-ках тео-рии воз-ник-но-ве-ния жизни спон-тан-ное воз-ник-но-ве-ние такой слож-ной си-сте-мы ма-ло-ве-ро-ят-но.
В на-ча-ле 1980-х годов в ла-бо-ра-то-рии уче-ных Чека и Ол-т-ме-на (об-ла-да-те-ли но-бе-лев-ской пре-мии по химии) в США была от-кры-та ка-та-ли-ти-че-ская спо-соб-ность РНК. РНК-ка-та-ли-за-то-ры были на-зва-ны ри-бо-зи-ма-ми (
Ока-за-лось, что ак-тив-ный центр ри-бо-сом тоже со-дер-жит боль-шое ко-ли-че-ство ри-бо-сом-ных РНК. Также РНК спо-соб-ны со-зда-вать двой-ную це-поч-ку и са-мо-реп-ли-ци-ро-вать-ся. То есть РНК могли су-ще-ство-вать пол-но-стью ав-то-ном-но, ка-та-ли-зи-руя ме-та-бо-ли-че-ские ре-ак-ции, на-при-мер син-те-за новых ри-бо-ну-кле-а-ти-дов, и са-мо-вос-про-из-во-дясь, со-хра-няя из по-ко-ле-ния в по-ко-ле-ние ка-та-ли-ти-че-ские свой-ства. На-коп-ле-ние слу-чай-ных му-та-ций при-ве-ло к по-яв-ле-нию РНК, ка-та-ли-зи-ру-ю-щих син-тез опре-де-лен-ных бел-ков, яв-ля-ю-щих-ся более эф-фек-тив-ны-ми ка-та-ли-за-то-ра-ми, в связи с чем эти му-та-ции за-креп-ля-лись в ходе есте-ствен-но-го от-бо-ра. Также воз-ник-ли спе-ци-а-ли-зи-ро-ван-ные хра-ни-ли-ща ге-не-ти-че-ской ин-фор-ма-ции - мо-ле-ку-ла ДНК, а РНК стала по-сред-ни-ком между ДНК и бел-ка-ми.
источник конспекта - http://interneturok.ru/ru/school/biology/10-klass/bosnovy-citologii-b/stroenie-i-funktsii-rnk?seconds=0&chapter_id=98
источник видео - http://www.youtube.com/watch?v=d6jd9E1EqhE
источник видео - http://www.youtube.com/watch?v=vSHIuT3eCyA
источник видео - http://www.youtube.com/watch?v=UiuSfDdOs8Q
источник видео - http://www.youtube.com/watch?v=aZd9DZIdt5Y
источник видео - http://www.youtube.com/watch?v=msXWwcK2kqU
источник презенатции - http://prezentacii.com/biologiya/2473-dnk-i-rnk-nukleinovye-kisloty.html
Многочисленными исследованиями было установлено, что синтез белка в клетке происходит не в ядре, где находится ДНК, а в цитоплазме. Следовательно, сама ДНК не может служить матрицей для синтеза белка. Вставал вопрос о молекулярных механизмах переноса информации, закодированной в ДНК (генах), из ядра в цитоплазму к месту синтеза белка. Сравнительно недавно выяснилось, что молекулами, ответственными за считывание и перенос информации, а также за преобразование этой информации в последовательность аминокислот в структуре белковой молекулы, являются рибонуклеиновые кислоты (РНК). Молекулы рибонуклеиновой кислоты имеют одну полинуклео-тидную цепь, Нуклеотиды молекулы РНК называются адениловой гуаниловой, уридиловой и цитидиловой кислотами. На долю РНК приходится около 5-10 % общей массы клетки Существует три основных вида РНК: информационная (иРНК), или матричная (мРНК), рибосомная (рРНК) и транспортная (тРНК). Они различаются по величине молекул и функциям. Все типы РНК синтезируются на ДНК при участии ферментов - РНК-полимераз. Информационная, или матричная, РНК составляет 2-3 % всей клеточной РНК, рибосомная - 80-85, транспортная - около 15 %.
Информационная РНК (иРНК) впервые была обнаружена в 1957 г. Роль ее в том, что она считывает наследственную информацию с участка ДНК (гена) и в форме скопированной последовательности азотистых оснований переносит ее в рибосомы, где происходит синтез определенного белка. Каждая из молекул иРНК по порядку расположения нуклеотидов и по размеру соответствует гену в ДНК, с которого она была транскрибирована. В среднем иРНК содержит 1500 нуклеотидов (75- 3000). Каждый триплет (три нуклеотида) на иРНК называется кодоном. От кодона зависит, какая аминокислота встанет в данном месте при синтезе белка/ Информационная РНК может обладать относительной молекулярной массой от 250 до 1000 тыс. Д (цальтон).
Существует большое разнообразие иРНК как в отношении состава, так и величины молекулы. Это связано с тем, что в клетке находится большое количество разнообразных белков, а строение каждого белка обусловлено своим геном, с которого иРНК считала информацию..
Транспортная РНК. (тРНК) обладает относительно невысокой молекулярной массой порядка 24-29 тыс. Д и содержит в молекуле от 75 до 90 нуклеотидов. До 10 % всех нуклеотидов тРНК приходится на долю минорных оснований, что, по-видимому, защищает ее от действия гидролитических ферментов.
Роль тРНК заключается в том, что они переносят аминокислоты к рибосомам и участвуют в процессе синтеза белка. Каждая аминокислота присоединяется к определенной тРНК. Ряд аминокислот обладает более одной тРНК. К настоящему времени обнаружено более 60 тРНК, которые отличаются между собой первичной структурой (последовательностью оснований). Вторичная структура у всех тРНК представлена в виде клеверного листа с двухцепочным стеблем и тремя одноцепочными петлями (рис. 20). На конце одной из цепей находится акцепторный участок - триплет ЦЦА, к аденину которого присоединяется специфическая аминокислота. Аминокислота присоединяется к тРНК под действием фермента аминоацил-тРНК-синтетазы, который «узнает» одновременно и аминокислоту, и тРНК. В головке средней петли тРНК находится антикодон - триплет, состоящий из трех нуклеотидов. Антикодон комплементарен определенному кодону мРНК. При помощи антикодона тРНК «узнает» соответствующий кодон в иРНК, т. е. определяет место, куда должна быть поставлена данная аминокислота в синтезируемой молекуле белка.
Предполагается, что петли тРНК, не вовлеченные в связывание и выполнение декодирующей функции аминокислоты, используются для связывания тРНК с рибосомой и со специфической аминоацил-тРНК-синтетазой.
Рибосомная РНК (рРНК). Размер рибосомных РНК эукариот составляет 5-28S (S - единица Сведберга характеризующая скорость осаждения, седиментации частиц при ультрацентрифугировании), молекулярная масса 3,5-104- 1,5-Ю6 Д. Они содержат 120-3100 нуклеотидов. Рибосомная РНК накапливается в ядре, в ядрышках. В ядрышки из цитоплазмы транспортируются рибосомные белки, и там происходит спонтанное образование субчастиц рибосом путем объединения белков с соответствующими рРНК. Субчастицы рибосомы вместе или врозь транспортируются через поры ядерной мембраны в цитоплазму.
Рибосомы представляют собой органеллы величиной 20- 30 нм. Они построены из двух субчастиц разного размера и формы. На определенных стадиях белкового синтеза в клетке происходит разделение рибосом на субчастицы. Рибосомная РНК служит как бы каркасом рибосом и способствует первоначальному связыванию иРНК с рибосомой в процессе биосинтеза белка. Субчастицы обозначают у эукариот как 60 и 40S. Целые рибосомы осаждаются при 80S. 408-субчастица содержит 18S РНК и примерно 30 белков; бОв-субчастица содержит 28S РНК, 5S РНК и 5,8S РНК. В состав этой частицы входит примерно 50 различных белков. У прокариот функциональная рибосома имеет константу седиментации 70S. 70Б-рибосомы состоят из малой (30S) и большой (50S) субчастиц. SOS-рибосомы содержат примерно равное количество рРНК и белка, у 70S-PH6QCOM соотношение РНК и белка составляет 2:1. Число рибосом в клетке прокариот равно примерно 104, у эукариот - около 105. В период синтеза белка рибосомы могут объединяться в полисомы, образуя более высокоорганизованные комплексы.
К нуклеиновым кислотам относят высокополимерные соединения, распадающиеся при гидролизе на пуриновые и пиримидиновые основания, пентозу и фосфорную кислоту. Нуклеиновые кислоты содержат углерод, водород, фосфор, кислород и азот. Различают два класса нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) .
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.
Репликация (редупликация) ДНК
— процесс самоудвоения, главное свойство молекулы ДНК. Репликация относится к категории реакций матричного синтеза, идет с участием ферментов. Под действием ферментов молекула ДНК раскручивается, и около каждой цепи, выступающей в роли матрицы, по принципам комплементарности и антипараллельности достраивается новая цепь. Таким образом, в каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая — вновь синтезированной. Такой способ синтеза называется полуконсервативным .
«Строительным материалом» и источником энергии для репликации являются дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ), содержащие три остатка фосфорной кислоты. При включении дезоксирибонуклеозидтрифосфатов в полинуклеотидную цепь два концевых остатка фосфорной кислоты отщепляются, и освободившаяся энергия используется на образование фосфодиэфирной связи между нуклеотидами.
В репликации участвуют следующие ферменты:
- геликазы («расплетают» ДНК);
- дестабилизирующие белки;
- ДНК-топоизомеразы (разрезают ДНК);
- ДНК-полимеразы (подбирают дезоксирибонуклеозидтрифосфаты и комплементарно присоединяют их к матричной цепи ДНК);
- РНК-праймазы (образуют РНК-затравки, праймеры);
- ДНК-лигазы (сшивают фрагменты ДНК).
С помощью геликаз в определенных участках ДНК расплетается, одноцепочечные участки ДНК связываются дестабилизирующими белками, образуется репликационная вилка . При расхождении 10 пар нуклеотидов (один виток спирали) молекула ДНК должна совершить полный оборот вокруг своей оси. Чтобы предотвратить это вращение ДНК-топоизомераза разрезает одну цепь ДНК, что дает ей возможность вращаться вокруг второй цепи.
ДНК-полимераза может присоединять нуклеотид только к 3"-углероду дезоксирибозы предыдущего нуклеотида, поэтому данный фермент способен передвигаться по матричной ДНК только в одном направлении: от 3"-конца к 5"-концу этой матричной ДНК. Так как в материнской ДНК цепи антипараллельны, то на ее разных цепях сборка дочерних полинуклеотидных цепей происходит по-разному и в противоположных направлениях. На цепи 3"-5" синтез дочерней полинуклеотидной цепи идет без перерывов; эта дочерняя цепь будет называться лидирующей . На цепи 5"-3" — прерывисто, фрагментами (фрагменты Оказаки ), которые после завершения репликации ДНК-лигазами сшиваются в одну цепь; эта дочерняя цепь будет называться запаздывающей (отстающей ).
Особенностью ДНК-полимеразы является то, что она может начинать свою работу только с «затравки» (праймера ). Роль «затравок» выполняют короткие последовательности РНК, образуемые при участи фермента РНК-праймазы и спаренные с матричной ДНК. РНК-затравки после окончания сборки полинуклеотидных цепочек удаляются.
Репликация протекает сходно у прокариот и эукариот. Скорость синтеза ДНК у прокариот на порядок выше (1000 нуклеотидов в секунду), чем у эукариот (100 нуклеотидов в секунду). Репликация начинается одновременно в нескольких участках молекулы ДНК. Фрагмент ДНК от одной точки начала репликации до другой образует единицу репликации — репликон .
Репликация происходит перед делением клетки. Благодаря этой способности ДНК осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним.
Репарация («ремонт»)
Репарацией называется процесс устранения повреждений нуклеотидной последовательности ДНК. Осуществляется особыми ферментными системами клетки (ферменты репарации ). В процессе восстановления структуры ДНК можно выделить следующие этапы: 1) ДНК-репарирующие нуклеазы распознают и удаляют поврежденный участок, в результате чего в цепи ДНК образуется брешь; 2) ДНК-полимераза заполняет эту брешь, копируя информацию со второй («хорошей») цепи; 3) ДНК-лигаза «сшивает» нуклеотиды, завершая репарацию.
Наиболее изучены три механизма репарации: 1) фоторепарация, 2) эксцизная, или дорепликативная, репарация, 3) пострепликативная репарация.
Изменения структуры ДНК происходят в клетке постоянно под действием реакционно-способных метаболитов, ультрафиолетового излучения, тяжелых металлов и их солей и др. Поэтому дефекты систем репарации повышают скорость мутационных процессов, являются причиной наследственных заболеваний (пигментная ксеродерма, прогерия и др.).
Строение и функции РНК
— полимер, мономерами которой являются рибонуклеотиды . В отличие от ДНК, РНК образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой (исключение — некоторые РНК-содержащие вирусы имеют двухцепочечную РНК). Нуклеотиды РНК способны образовывать водородные связи между собой. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК.
Мономер РНК — нуклеотид (рибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания РНК также относятся к классам пиримидинов и пуринов.
Пиримидиновые основания РНК — урацил, цитозин, пуриновые основания — аденин и гуанин. Моносахарид нуклеотида РНК представлен рибозой.
Выделяют три вида РНК : 1) информационная (матричная) РНК — иРНК (мРНК), 2) транспортная РНК — тРНК, 3) рибосомная РНК — рРНК.
Все виды РНК представляют собой неразветвленные полинуклеотиды, имеют специфическую пространственную конформацию и принимают участие в процессах синтеза белка. Информация о строении всех видов РНК хранится в ДНК. Процесс синтеза РНК на матрице ДНК называется транскрипцией.
Транспортные РНК содержат обычно 76 (от 75 до 95) нуклеотидов; молекулярная масса — 25 000-30 000. На долю тРНК приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке. Функции тРНК: 1) транспорт аминокислот к месту синтеза белка, к рибосомам, 2) трансляционный посредник. В клетке встречается около 40 видов тРНК, каждый из них имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов. Однако у всех тРНК имеется несколько внутримолекулярных комплементарных участков, из-за которых тРНК приобретают конформацию, напоминающую по форме лист клевера. У любой тРНК есть петля для контакта с рибосомой (1), антикодоновая петля (2), петля для контакта с ферментом (3), акцепторный стебель (4), антикодон (5). Аминокислота присоединяется к 3"-концу акцепторного стебля. Антикодон — три нуклеотида, «опознающие» кодон иРНК. Следует подчеркнуть, что конкретная тРНК может транспортировать строго определенную аминокислоту, соответствующую ее антикодону. Специфичность соединения аминокислоты и тРНК достигается благодаря свойствам фермента аминоацил-тРНК-синтетаза.
Рибосомные РНК содержат 3000-5000 нуклеотидов; молекулярная масса — 1 000 000-1 500 000. На долю рРНК приходится 80-85% от общего содержания РНК в клетке. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы — органоиды, осуществляющие синтез белка. В эукариотических клетках синтез рРНК происходит в ядрышках. Функции рРНК : 1) необходимый структурный компонент рибосом и, таким образом, обеспечение функционирования рибосом; 2) обеспечение взаимодействия рибосомы и тРНК; 3) первоначальное связывание рибосомы и кодона-инициатора иРНК и определение рамки считывания, 4) формирование активного центра рибосомы.
Информационные РНК разнообразны по содержанию нуклеотидов и молекулярной массе (от 50 000 до 4 000 000). На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке. Функции иРНК : 1) перенос генетической информации от ДНК к рибосомам, 2) матрица для синтеза молекулы белка, 3) определение аминокислотной последовательности первичной структуры белковой молекулы.
Строение и функции АТФ
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — универсальный источник и основной аккумулятор энергии в живых клетках. АТФ содержится во всех клетках растений и животных. Количество АТФ в среднем составляет 0,04% (от сырой массы клетки), наибольшее количество АТФ (0,2-0,5%) содержится в скелетных мышцах.
АТФ состоит из остатков: 1) азотистого основания (аденина), 2) моносахарида (рибозы), 3) трех фосфорных кислот. Поскольку АТФ содержит не один, а три остатка фосфорной кислоты, она относится к рибонуклеозидтрифосфатам.
Для большинства видов работ, происходящих в клетках, используется энергия гидролиза АТФ. При этом при отщеплении концевого остатка фосфорной кислоты АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту), при отщеплении второго остатка фосфорной кислоты — в АМФ (аденозинмонофосфорную кислоту). Выход свободной энергии при отщеплении как концевого, так и второго остатков фосфорной кислоты составляет по 30,6 кДж. Отщепление третьей фосфатной группы сопровождается выделением только 13,8 кДж. Связи между концевым и вторым, вторым и первым остатками фосфорной кислоты называются макроэргическими (высокоэнергетическими).
Запасы АТФ постоянно пополняются. В клетках всех организмов синтез АТФ происходит в процессе фосфорилирования, т.е. присоединения фосфорной кислоты к АДФ. Фосфорилирование происходит с разной интенсивностью при дыхании (митохондрии), гликолизе (цитоплазма), фотосинтезе (хлоропласты).
АТФ является основным связующим звеном между процессами, сопровождающимися выделением и накоплением энергии, и процессами, протекающими с затратами энергии. Кроме этого, АТФ наряду с другими рибонуклеозидтрифосфатами (ГТФ, ЦТФ, УТФ) является субстратом для синтеза РНК.
Перейти к лекции №3 «Строение и функции белков. Ферменты»
Перейти к лекции №5 «Клеточная теория. Типы клеточной организации»
Относится к нуклеиновым кислотам. Молекулы-полимеры РНК намного меньше, чем у ДНК. Однако в зависимости от типа РНК количество входящих в них нуклеотидов-мономеров различается.
В состав нуклеотида РНК в качестве сахара входит рибоза, в качестве азотистого основания - аденит, гуанин, урацил, цитозин. Урацил по строению и химическим свойствам близок к тимину, который обычен для ДНК. В зрелых молекулах РНК многие азотистые основания модифицированы, поэтому в реальности разновидностей азотистых оснований в составе РНК намного больше.
Рибоза в отличие от дезоксирибозы имеет дополнительную -ОН-группу (гидроксильную). Это обстоятельство позволяет РНК легче вступать в химические реакции.
Главной функцией РНК в клетках живых организмов можно назвать реализацию генетической информации. Именно благодаря разным типам рибонуклеиновой кислоты генетический код считывается (транскрибируется) с ДНК, после чего на его основе синтезируются полипептиды (происходит трансляция). Итак, если ДНК в основном отвечает за хранение и передачу из поколения в поколение генетической информации (основной процесс – репликация), то РНК реализует эту информацию (процессы транскрипции и трансляции). При этом транскрипция происходит на ДНК, так что этот процесс относится к обоим типам нуклеиновых кислот и тогда с этой точки зрения можно сказать, что и ДНК отвечает за реализацию генетической информации.
При более подробном рассмотрении функции РНК намного разнообразнее. Ряд молекул РНК выполняют структурную, каталитическую и другие функции.
Существует так называемая гипотеза РНК-мира, согласно которой вначале в живой природе в качестве носителя генетической информации выступали только молекулы РНК, при этом другие молекулы РНК катализировали различные реакции. Данная гипотеза подтверждена рядом опытов, показывающих возможную эволюцию РНК. На это указывает и то, что ряд вирусов в качестве нуклеиновой кислоты, хранящей генетическую информацию, имеют молекулу РНК.
Согласно гипотезе РНК-мира ДНК появилась позже в процессе естественного отбора как более устойчивая молекула, что важно для хранения генетической информации.
Выделяют три основных типа РНК (кроме них есть и другие): матричная (она же информационная), рибосомальная и транспортная. Обозначаются они соответственно иРНК (или мРНК), рРНК, тРНК.
Информационная РНК (иРНК)
Почти все РНК синтезируются на ДНК в процессе транскрипции. Однако часто транскрипция упоминается как синтез именно информационной РНК (иРНК). Связано это с тем, что последовательность нуклеотидов иРНК в последствии определит последовательность аминокислот синтезируемого в процессе трансляции белка.
Перед транскрипцией нити ДНК расплетаются, и на одной из них с помощью комплекса белков-ферментов синтезируется РНК по принципу комплементарности, так же как это происходит при репликации ДНК. Только напротив аденина ДНК к молекуле РНК присоединяется нуклеотид, содержащий урацил, а не тимин.
На самом деле на ДНК синтезируется не готовая информационная РНК, а ее предшественник - пре-иРНК. Предшественник содержит участки последовательности нуклеотидов, которые не кодируют белок и которые после синтеза пре-иРНК вырезаются при участии малых ядерных и ядрышковых РНК («дополнительные» типы РНК). Эти удаляющиеся участки называются интронами . Остающиеся части иРНК называются экзонами . После удаления интронов экзоны сшиваются между собой. Процесс удаления интронов и сшивания экзонов называется сплайсингом . Усложняющей жизнь особенностью является то, что можно вырезать интроны по-разному, в результате получатся разные готовые иРНК, которые будут служить матрицами для разных белков. Таким образом, вроде бы один ген ДНК может играть роль нескольких генов.
Следует отметить, что у прокариотических организмов сплайсинга не происходит. Обычно их иРНК сразу после синтеза на ДНК готова к трансляции. Бывает, что пока конец молекулы иРНК еще транскрибируется, на ее начале уже сидят рибосомы, синтезирующие белок.
После того как пре-иРНК созревает в информационную РНК и оказывается вне ядра, она становится матрицей для синтеза полипептида. При этом на нее «насаживаются» рибосомы (не сразу, какая-то оказывается первой, другая - второй и т. д.). Каждая синтезирует свою копию белка, т. е. на одной молекуле РНК могут синтезироваться сразу несколько одинаковых белковых молекул (понятно, что каждая будет находиться на своей стадии синтеза).
Рибосома, передвигаясь от начала иРНК к ее концу, считывает по три нуклеотида (хотя вмещает шесть, т. е. два кодона) и присоединяет соответствующую транспортную РНК (имеющую соответствующий кодону антикодон), к которой присоединена соответствующая аминокислота. После этого с помощью активного центра рибосомы ранее синтезированная часть полипептида, соединенная с предшествующей тРНК, как-бы «пересаживается» (образуется пептидная связь) на аминокислоту, прикрепленную к только что пришедшей тРНК. Таким образом, молекула белка постепенно увеличивается.
Когда молекула информационной РНК становится не нужна, клетка ее разрушает.
Транспортная РНК (тРНК)
Транспортная РНК - это достаточно маленькая (по меркам полимеров) молекула (количество нуклеотидов бывает разным, в среднем около 80-ти), во вторичной структуре имеет форму клеверного листа, в третичной сворачивается в нечто подобное букве Г.
Функция тРНК - присоединение к себе соответствующей своему антикодону аминокислоты. В дальнейшем соединение с рибосомой, находящейся на соответствующем антикодону кодоне иРНК, и «передача» этой аминокислоты. Обобщая, можно сказать, что транспортная РНК переносит (на то она и транспортная) аминокислоты к месту синтеза белка.
Живая природа на Земле использует всего около 20-ти аминокислот для синтеза различных белковых молекул (на самом деле аминокислот куда больше). Но поскольку, согласно генетическому коду, кодонов больше 60-ти, то каждой аминокислоте может соответствовать несколько кодонов (на самом деле какой-то больше, какой-то меньше). Таким образом, разновидностей тРНК больше 20, при этом разные транспортные РНК переносят одинаковые аминокислоты. (Но и тут не так все просто.)
Рибосомная РНК (рРНК)
Рибосомную РНК часто также называют рибосомальной РНК. Это одно и то же.
Рибосомная РНК составляет около 80% всей РНК клетки, так как входит в состав рибосом, коих в клетке бывает достаточно много.
В рибосомах рРНК образует комплексы с белками, выполняет структурную и каталитическую функции.
В состав рибосомы входят несколько разных молекул рРНК, отличающиеся между собой как по длине цепи, вторичной и третичной структуре, выполняемым функциям. Однако их суммарная функция - это реализация процесса трансляции. При этом молекулы рРНК считывают информацию с иРНК и катализируют образование пептидной связи между аминокислотами.
Молекулярная биология является одним из важнейших разделов биологических наук и подразумевает детализированное изучение клеток живых организмов и их составляющих. В сферу ее исследований входит множество жизненно важных процессов, таких как рождение, дыхание, рост, смерть.
Бесценным открытием молекулярной биологии стала расшифровка генетического кода высших существ и определение способности клетки хранить и передавать генетическую информацию. Основная роль в этих процессах принадлежит нуклеиновым кислотам, которых в природе различают два вида – ДНК и РНК. Что представляют собой эти макромолекулы? Из чего они состоят и какие биологические функции выполняют?
Что такое ДНК?
ДНК расшифровывается как дезоксирибонуклеиновая кислота. Она представляет собой одну из трех макромолекул клетки (две другие – белки и рибонуклеиновая кислота), которая обеспечивает сохранение и передачу генетического кода развития и деятельности организмов. Простыми словами, ДНК – носитель генетической информации. В ее составе содержится генотип индивида, который обладает способностью к самовоспроизводству и передает информацию по наследству.
Как химическое вещество кислота была выделена из клеток еще в 1860-х годах, однако вплоть до середины XX столетия никто и не предполагал, что она способна хранить и передавать информацию.
Долгое время считалось, что эти функции выполняют белки, однако в 1953 году группа биологов сумела значительно расширить понимание сути молекулы и доказать первостепенную роль ДНК в сохранении и передаче генотипа. Находка стала открытием века, а ученые получили за свою работу Нобелевскую премию.
Из чего состоит ДНК?
ДНК является крупнейшей из биологических молекул и представляет собой четыре нуклеотида, состоящих из остатка фосфорной кислоты. В структурном отношении кислота достаточно сложная. Ее нуклеотиды соединяются между собой длинными цепями, которые объединяются попарно во вторичные структуры – двойные спирали.
ДНК имеет свойство повреждаться радиацией или различными окисляющими веществами, в силу чего в молекуле происходит процесс мутации. Функционирование кислоты напрямую зависит от ее взаимодействия с еще одной молекулой – белками. Вступая с ними во взаимосвязь в клетке, она образует вещество хроматин, внутри которого осуществляется реализация информации.
Что такое РНК?
РНК – это рибонуклеиновая кислота, содержащая в себе азотистые основания и остатки фосфорных кислот.
Существует гипотеза, что она является первой молекулой, получившей способность к самовоспроизводству еще в эпоху формирования нашей планеты – в добиологических системах. РНК и сегодня входит в геномы отдельных вирусов, выполняя в них ту роль, которую у высших существ играет ДНК.
Рибонуклеиновая кислота состоит из 4-х нуклеотидов, но вместо двойной спирали, как в ДНК, ее цепочки соединяются одинарной кривой. В нуклеотидах содержится рибоза, принимающая активное участие в обмене веществ. В зависимости от способности кодировать белок РНК делятся на матричную и некодирующие.
Первая выступает своего рода посредником в передаче закодированной информации рибосомам. Вторые не могут кодировать белки, но обладают другими возможностями – трансляцией и лигированием молекул.
Чем ДНК отличается от РНК?
По своему химическому составу кислоты очень схожи друг с другом. Обе относятся к линейным полимерам и являют собой N-гликозид, созданный из остатков пятеуглеродного сахара. Разница между ними в том, что сахарный остаток РНК – это рибоза, моносахарид из группы пентоз, легко растворяющийся в воде. Сахарный остаток ДНК – это дезоксирибоза, или производная рибозы, имеющая несколько иную структуру.
В отличие от рибозы, формирующей кольцо из 4 атомов углерода и 1 атома кислорода, в дезоксирибозе второй атом углерода замещается водородом. Еще одно отличие между ДНК и РНК заключается в их размерах – более крупная. Кроме этого, среди четырех нуклеотидов, входящих в ДНК, один представляет собой азотистое основание под названием тимин, тогда как в РНК вместо тимина присутствует его разновидность – урацил.
