Основу жизни образуют белки. Функции их в клетке очень разнообразны. Однако белки «не умеют» размножаться. А вся информация о строении белков содержится в генах (ДНК).
У высших организмов белки синтезируются в цитоплазме клетки, а ДНК сокрыта за оболочкой ядра. Поэтому ДНК непосредственно не может быть матрицей для синтеза белка. Эту роль выполняет другая нуклеиновая кислота – РНК.
Молекула РНК представляет собой неразветвленный полинуклеотид, обладающий третичной структурой . Она образована одной полинуклеотидной цепочкой, и, хотя входящие в ее состав комплементарные нуклеотиды также способны образовывать между собой водородные связи, эти связи возникают между нуклеотидами одной цепочки. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК. Если содержание ДНК в клетке относительно постоянно, то содержание РНК сильно колеблется. Наибольшее количество РНК в клетках наблюдается во время синтеза белка.
РНК принадлежит главная роль в передаче и реализации наследственной информации . В соответствии с функцией и структурными особенностями различают несколько классов клеточных РНК.
Существует три основных класса клеточных РНК.
- Информационная (иРНК), или матричная (мРНК) . Ее молекулы наиболее разнообразны по размерам, молекулярной массе (от 0,05х106 до 4х106) и стабильности. Составляют около 2% от общего количества РНК в клетке. Все иРНК являются переносчиками генетической информации из ядра в цитоплазму, к месту синтеза белка. Они служат матрицей (рабочим чертежом) для синтеза молекулы белка, так как определяют аминокислотную последовательность (первичную структуру) белковой молекулы.
- Рибосомальные РНК (рРНК) . Составляют 80–85% от общего содержания РНК в клетке. Рибосомальная РНК состоит из 3–5 тыс. нуклеотидов. Она синтезируется в ядрышках ядра. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы – органоиды, на которых происходит сборка белковых молекул. Основное значение рРНК состоит в том, что она обеспечивает первоначальное связывание иРНК и рибосомы и формирует активный центр рибосомы, в котором происходит образование пептидных связей между аминокислотами в процессе синтеза полипептидной цепи.
- Транспортные РНК (тРНК) . Молекулы тРНК содержат обычно 75-86 нуклеотидов. Молекулярная масса молекул тРНК около 25 тыс. Молекулы тРНК играют роль посредников в биосинтезе белка – они доставляют аминокислоты к месту синтеза белка, то есть на рибосомы. В клетке содержится более 30 видов тРНК. Каждый вид тРНК имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов. Однако у всех молекул имеется несколько внутримолекулярных комплементарных участков, благодаря наличию которых все тРНК имеют третичную структуру, напоминающую по форме клеверный лист.
Вторичная структура РНК – характерна для тРНК, одноцепочечная, по форме напоминает «клеверный лист». Включает:
- сравнительно короткие двойные спирали – стебли,
- однотяжевые участки – петли.
Имеется 4 стебля (акцепторный, антикодоновый, дигидроуридиловый, псевдоуридиловый) и 3 петли.
«Псевдоузел» - элемент вторичной структуры РНК, схематично
Акцепторный стебель – содержит 3’- и 5’- концы полинуклеотидной цепи, 5’-конец заканчивается остатком гуаниловой кислоты, 3’-конец – триплетом ЦЦА и служит для образования сложноэфирной связи с АК.
Антикодоновый стебель узнает свой кодон на и-РНК в рибосомах по принципу комплементарности.
Псевдоуридиловый стебель служит для прикрепления к рибосоме.
Дигидроуридиловый стебель служит для связи с аминоацил-тРНК-синтетазой.
Присутствует в молекуле РНК вместо тимина. Нуклеотиды РНК содержат вместо дизоксирибозы рибозу. В цепочке РНК нуклеотиды соединяются ковалентными связями между рибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого.
В организме РНК находятся в виде комплексов с белками — рибонуклеопротеидов.
Известны 2 типа молекул РНК:
1) Двуцепочные РНК характерны для некоторых вирусов - служат для хранения и воспроизведения наследственной информации (выполняют функции хромосом).
2) У большинства клеток - одноцепочные РНК - осуществляют перенос информации об аминокислотной последовательности в белках от хромосомы к рибосоме.
Одноцепочечные РНК имеют пространственную организацию : за счет взаимодействия азотистых оснований друг с другом, а также с фосфатами и гидроксилами сахарофосфатного остова происходит сворачивание цепи в компактную структуру типа глобулы. Функция: перенос от хромосомы к рибосомам информацию о последовательности АК в белках, которые должны синтезироваться.
Существует несколько типов одноцепочных РНК по выполняемой функции или месту нахождения в клетке:
1. Рибосомная РНК (рРНК) составляет основную часть РНК цитоплазмы (80-90 %). Размеры 3000-5000 пар нуклеотидов. Вторичная структура в виде двухспиральных шпилек. р-РНК является структурным компонентом рибосом - органоиды клетки, где происходит синтез белков. Рибосомы локализованы в цитоплазме, ядрышке, митохондриях, хлоропластах. Состоят из двух субъединиц - большой и малой. Малая субчастица состоит из одной молекулы рРНК и 33 молекул белков, большая субъединица - 3 молекулы рРНК и 50 белков. Белки рибосом выполняют ферментативную и структурную функции.
Функции р-РНК:
1) структурный компонент рибосом - их целостность необходима для биосинтеза белков;
2) обеспечивают правильность связывания рибосомы с м-РНК;
3) обеспечивают правильность связывания рибосомы с т-РНК;
2. Матричная (мРНК ) - 2-6 % от общего количества РНК.
Состоит из участков:
1) цистроны - определяют последовательность АК в кодируемых ими белках, имеют уникальную последовательность нуклеотидов;
2) нетранслируемые области располагаются на концах молекулы, имеют общие закономерности нуклеотидного состава.
Кэп - особая структура на 5′ конце м-РНК - это 7-метилгуанозинтрифосфат, образуется ферментативным путем в процессе транскрипции.
Функции кэпа:
1) предохраняет 5′ конец от расщепления экзонуклеазами,
2) используется для специфического узнавания м-РНК в процессе трансляции.
Прецистронный нетранслируемый участок - 3-15 нуклеотидов. Функция : обеспечение правильного взаимодействия 5′ конца м-РНК с рибосомой.
Цистрон : содержит инициирующий и терминирующий кодоны - особые последовательности нуклеотидов, отвечающие за начало и окончание передачи информации с данного цистрона.
Постцистронный нетранслируемый участок - находится на 3′ конце, содержит гексануклеотид (часто ААУААА) и цепочку из 20-250 адениловых нуклеотидов. Функция - поддержание внутриклеточной стабильности м-РНК.
3. Транспортные РНК (тРНК ) - 15 % от общей РНК, состоят из 70-93 пар нуклеотидов. Функция: перенос аминокислоты к месту синтеза белка, «узнают» (по принципу комплиментарности) участок мРНК, соответствующий переносимой аминокислоте. Для каждой из 20 АК имеются специфические т-РНК (обычно более одной). Все т-РНК имеют сложную структуру, изображаемую в виде клеверного листа.
Клеверный лист содержит 5 участков:
1) 3′ конец - акцепторная ветвь (сюда присоединяется эфирной связью остаток АК),
2) антикидоновая ветвь - располагается напротив акцепторного участка, состоит из трёх неспаренных (имеющих свободные связи) нуклеотидов (антикодон) и специфически спаривается (антипараллельно, комлиментарно) с кодоном м-РНК.
Кодон - набор из 3 нуклеотидов (триплет) в м-РНК, определяющий место данной аминокислоты в синтезируемой полипептидной цепи. Это единица генетического кода, с помощью которого в молекулах ДНК и РНК «записана» вся генетическая информация.
3) Т-ветвь (псевдоурединовая петля - содержит псевдоуредин) - участок, присоединяющийся к рибосоме.
4) Д-ветвь (дегидроуреди6новая петля - содержит дегидроуредин) - участок, обеспечивающий взаимодействие с соответствующим аминокислоте ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой.
5) Дополнительная малая ветвь. Функции пока не изучены.
6) Ядерные РНК (яРНК) - компонент ядра клеток. Низкополимерная, стабильная, роль которой пока неясна.
Все виды РНК синтезируются в клеточном ядре на матрице ДНК под действием ферментов полимераз . При этом образуется последовательность рибонуклеотидов, комплементарная последовательности дезоксирибо-нуклеотидов в ДНК - это процесс транскрипции.
Молекулы РНК в отличие от ДНК являются однонитевыми структурами. Схема построения РНК аналогична ДНК: основу образует сахарно-фосфатный остов, к которому присоединяются азотистые основания. Различия химического строения, как было сказано выше, заключаются в следующем: дезоксирибоза, присутствующая в ДНК, заменена на молекулу рибозы, а тимин представлен другим пиримидином - урацилом.
Молекулы РНК в зависимости от выполняемых функций подразделяются на три основных вида: информационные, или матричные (мРНК), транспортные (тРНК) и рибосомальные (рРНК). В ядре клеток эукариот содержится РНК четвертого вида - гетерогенная ядерная РНК (гяРНК), которая является точной копией соответствующей ДНК (рис. IV.9).
Функции, выполняемые РНК, состоят в следующем: мРНК переносят информацию о структуре белка от ДНК к рибосомам, (т.е. являются матрицей для синтеза белка; тРНК переносят аминокислоты к рибосомам, специфичность такого переноса обеспечивается тем, что имеется 20 типов тРНК, соответствующих 20 аминокислотам; рРНК образуют в комплексе с белками рибосому, в которой происходит синтез белка; гяРНК является точным трансскриптом ДНК, которая, подвергаясь специфическим изменениям, превращается (созревает) в зрелую мРНК.
Молекулы РНК значительно меньше молекул ДНК. Самой короткой является тРНК, состоящая из 75 нуклеотидов.
Транскрипция - это процесс переноса генетической информации от ДНК к РНК. Все виды РНК (мРНК, тРНК, рРНК и гяРНК) синтезируются в соответствии с последовательностью нуклеотидов в молекуле ДНК, служащей для них матрицей. Процесс транскрищии осуществляется при участии трех ДНК-зависимых РНК-толимераз. Полимераза находится в ядрышках, где катализирует синтез рРНК. Полимеразы II и III находятся в кариоплазме, где полимераза II контролирует синтез первичного транскрипта мРНК, а полимераза III участвует в синтезе тРНК.
Процесс транскрипции осуществляется следующим образом. РНК-полимераза, прикрепляясь к началу участка ДНК, расплетают двойную спираль. Перемещаясь вдоль одной из нитей, она последовательно выстраивает комплементарную нить РНК. По мере передвижения РНК-полимеразы растущая нить РНК отходит от матрицы ДНК, и двойная спираль ДНК позади фермента восстанавливается. Когда РНК-полимераза достигает специфического участка ДНК, называемого терминационным, рост цепи РНК прекращается, и происходит отделение ее от ДНК. Синтезированная нить РНК содержит информацию, точно переписанную с соответствующего участка ДНК.
Процесс транскрипции, как и репликации, осуществляется при строгом соблюдении правила комплементарности с одним измерением: напротив аденина молекулы ДНК при транскрипции в молекулу РНК встраивается урацил
После того как заканчивается транскрипция, все виды РНК претерпевают определенные изменения, в результате которых ониприобретают возможность выполнять специфические для каждой из них функции. Подобное созревание РНК носит название процессинга.
Матричная, или информационная, РНК (мРНК). На долю мРНК приходится примерно 3-5% всей содержащейся в клетке РНК. Молекулы мРНК образуются из больших молекул-предшественников - гяРНК. Изменения гяРНК связаны с модификацией по 5"- и 3"-концам и сплайсингом. Изменение 5"-конца приводит к образованию специфической последовательности, называемой кэп-структурой. Изменение 3"-конца заключается в присоединении к нему 120-150 остатков аденина (роly А). Сплайсинг - это процесс удаления участков молекулы РНК, соответствующих интронньш последовательностям ДНК.
Зрелая мРНК выходит в цитоплазму и становится матрицей для синтеза белка, т.е. переносит информацию о структуре белка от ДНК к рибосомам.
Рибосомальная РНК (рРНК) составляет более 80% всей РНК клетки. Она кодируется генами, расположенными в так называемых ядрышковых организаторах некоторых акроцентрических хромосом.
Последовательность нуклеотидов в рРНК сходна у всех организмов. Вся рРНК находится в цитоплазме, где она образует сложный комплекс с белками, формируя рибосому. На рибосомах информация, зашифрованная в структуре мРНК, переводится (транслируется) в аминокислотную последовательность, т.е. происходит синтез белка.
Узнавание кодона мРНК осуществляется с помощью антикодона транспортной РНК - специфичной для каждой аминокислоты последовательности трех оснований тРНК, комплементарных данному кодону мРНК. Аминокислота присоединя-ется к 3"-концу тРНК с помощью фермента аминоацил-тРНК-синтетазы.
Таким образом, тРНК играют связующую роль между мРНК и белком.
РНК состоит из нуклеотидов, в состав которых входят сахар – рибоза, фосфат и одно из азотистых оснований (аденин, урацил, гуанин, цитозин). Образует первичную, вторичную и третичную структуры аналогично таким же у ДНК. Информация о последовательности аминокислот белка содержится в информационных РНК (иРНК, мРНК) . Три последовательных нуклеотида (кодон) соответствуют одной аминокислоте. В эукариотических клетках транскирибированный предшественник мРНК или пре-мРНК процессируется с образованием зрелой мРНК. Процессинг включает удаление некодирующих белок последовательностей (интронов). После этого мРНК экспортируется из ядра в цитоплазму, где к ней присоединяются рибосомы, транслирующие мРНК с помощью соединённых с аминокислотами тРНК.Транспортные (тРНК) - малые, состоящие из приблизительно 80 нуклеотидов, молекулы с консервативной третичной структурой. Они переносят специфические аминокислоты в место синтеза пептидной связи в рибосоме. Каждая тРНК содержит участок для присоединения аминокислоты и антикодон для узнавания и присоединения к кодонам мРНК. Антикодон образует водородные связи с кодоном, что помещает тРНК в положение, способствующее образованию пептидной связи между последней аминокислотой образованного пептида и аминокислотой, присоединённой к тРНК. Рибосомальные РНК (рРНК) - каталитическая составляющая рибосом. Эукариотические рибосомы содержат четыре типа молекул рРНК: 18S, 5.8S, 28S и 5S. Три из четырёх типов рРНК синтезируются в ядрышке. В цитоплазме рибосомальные РНК соединяются с рибосомальными белками и формируют нуклеопротеин, называемый рибосомой. Рибосома присоединяется к мРНК и синтезирует белок. рРНК составляет до 80 % РНК, обнаруживаемой в цитоплазме эукариотической клетки.
Функции: способность к самовоспроизведению, способность сохранять свою организацию постоянной, способность приобретать изменения и воспроизводить их.
10. Структура и свойства генетического кода
Генетический код – Определенный набор и порядок расположения аминокислот в пептидных цепях. В многообразии белков, существующих в природе, было обнаружено около 20 различных аминокислот. Для их шифровки достаточное количество сочетаний нуклеотидов может обеспечить лишь триплетный код, в котором каждая аминокислота шифруется тремя стоящими рядом нуклеотидами, из четырех нуклеотидов образуется 4 3 = 64 триплета. Из 64 возможных триплетов ДНК 61 кодирует различные аминокислоты; оставшиеся 3 получили название бессмысленных, или «нонсенс-триплетов». Они не шифруют аминокислот и выполняют функцию знаков препинания при считывании наследственной информации. К ним относятся АТТ, АЦТ, АТЦ.
Свойства генетического кода: вырожденность - явная избыточность кода, многие аминокислоты шифруются несколькими триплетами. Это свойство имеет очень важное значение, так как возникновение в структуре молекулы ДНК изменений по типу замены одного нуклеотида в полинуклеотидной цепи может не изменить смысла триплета. Возникшее новое сочетание из трех нуклеотидов кодирует ту же самую аминокислоту. Специфичность - каждый триплет способен кодировать только одну определенную аминокислоту. Универсальность - полное соответствие кода у различных видов живых организмов свидетельствует о единстве происхождения всего многообразия живых форм на Земле в процессе биологической эволюции. Непрерывность и неперекрываемость кодонов при считывании – последовательность нуклеотидов считывается триплет за триплетом без пропусков, при этом соседние триплеты не перекрывают друг друга, т.е. каждый отдельный нуклеотид входит в состав только одного триплета при заданной рамке считывания. Доказательством неперекрываемости генетического кода является замена только одной аминокислоты в пептиде при замене одного нуклеотида в ДНК.
Что такое ДНК и РНК? Каковы их функции и значение в нашем мире? Из чего они состоят и как работают? Об этом и не только рассказывается в статье.
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.
Дезоксирибонуклеиновая кислота
Что такое ДНК? Это нуклеиновая кислота, которая содержит генотип индивида и передает информацию по наследству, самовоспроизводясь. Поскольку эти молекулы являются очень большими, имеется огромное количество возможных последовательностей из нуклеотидов. Поэтому число различных молекул является фактически бесконечным.
Структура ДНК
Это самые крупные биологические молекулы. Их размер составляет от одной четверти у бактерий до сорока миллиметров в ДНК человека, что гораздо больше максимального размера белка. Они состоят из четырех мономеров, структурных компонентов нуклеиновых кислот — нуклеотидов, в которые входит азотистое основание, остаток фосфорной кислоты и дезоксирибоза.
Азотистые основания имеют двойное кольцо из углерода и азота— пурины, и одно кольцо — пиримидины.
Пуринами являются аденин и гуанин, а пиримидинами — тимин и цитозин. Они обозначаются заглавными латинскими буквами: A, G, T, C; а в русской литературе — на кириллице: А, Г, Т, Ц. При помощи химической водородной связи они соединяются друг с другом, в результате чего появляются нуклеиновые кислоты.
Во Вселенной именно спираль является наиболее распространенной формой. Так и структура ДНК молекулы тоже имеет ее. Полинуклеотидная цепочка закручена наподобие винтовой лестницы.
Цепи в молекуле направлены противоположно друг от друга. Получается, если в одной цепи от 3"-конца к 5", то в другой цепи ориентация будет наоборот от 5"-конца к 3".
Принцип комплементарности
Две нити соединяются в молекулу азотистыми основаниями таким образом, что аденин имеет связь с тимином, а гуанин — только с цитозином. Последовательно расположенные нуклеотиды в одной цепи определяют другую. Это соответствие, лежащее в основе появления новых молекул в результате репликации или удвоения, стало называться комплементарностью.
Получается, что число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а гуаниловые равны количеству цитидиловых. Это соответствие стало называться «правилом Чаргаффа».
Репликация
Процесс самовоспроизведения, протекающий под контролем ферментов, является основным свойством ДНК.
Все начинается с раскручивания спирали благодаря ферменту ДНК-полимеразы. После разрыва водородных связей, в одной и в другой нитях синтезируется дочерняя цепь, материалом для которой выступают свободные нуклеотиды, имеющиеся в ядре.
Каждая цепь ДНК является матрицей для новой цепи. В результате из одной получаются две абсолютно идентичные материнской молекулы. При этом одна нить синтезируется сплошной, а другая сначала фрагментарно, лишь затем соединяясь.
Гены ДНК
Молекула несет в себе всю важную информацию о нуклеотидах, определяет расположение аминокислот в белках. ДНК человека и всех других организмов хранит сведения о его свойствах, передавая их потомкам.
Частью ее является ген — группа нуклеотидов, которая кодирует информацию о белке. Совокупность генов клетки образует ее генотип или геном.
Гены расположены на определенном участке ДНК. Они состоят из определенного числа нуклеотидов, которые расположены в последовательной комбинации. Имеется в виду то, что ген не может поменять свое место в молекуле, и он имеет совершенно конкретное число нуклеотидов. Их последовательность уникальна. Например, для получения адреналина используется один порядок, а для инсулина — другой.
Кроме генов, в ДНК располагаются некодирующие последовательности. Они регулируют работу генов, помогают хромосомам и отмечают начало и конец гена. Но сегодня остается неизвестной роль большинства из них.
Рибонуклеиновая кислота
Эта молекула во многом схожа с дезоксирибонуклеиновой кислотой. Однако она не такая большая, как ДНК. И РНК также состоит из полимерных нуклеотидов четырех типов. Три из них сходны с ДНК, но вместо тимина в нее входит урацил (U или У). Кроме этого, РНК состоит из углевода — рибозы. Главным отличием служит то, что спираль этой молекулы является одинарной, в отличие от двойной в ДНК.
Функции РНК
В основе функций рибонуклеиновой кислоты лежат три различных вида РНК.
Информационная передает генетическую информацию от ДНК в цитоплазму ядра. Ее еще называют матричной. Это незамкнутая цепь, синтезирующаяся в ядре при помощи фермента РНК-полимеразы. Несмотря на то что в молекуле ее процентное содержание чрезвычайно низкое (от трех до пяти процентов клетки), на ней лежит важнейшая функция - являться матрицей для синтеза белков, информируя об их структуре с молекул ДНК. Один белок кодируется одной специфичной ДНК, поэтому их числовое значение равное.
Рибосомная в основном состоит из цитоплазматических гранул — рибосом. Р-РНК синтезируются в ядре. На их долю приходится примерно восемьдесят процентов всей клетки. Этот вид обладает сложной структурой, образовывая петли на комплементарных частях, что ведет к молекулярной самоорганизации в сложное тело. Среди них имеются три типа у прокариот, и четыре — у эукариот.
Транспортная действует в роли «адаптера», выстраивая в соответствующем порядке аминокислоты полипептидной цепи. В среднем, она состоит из восьмидесяти нуклеотидов. В клетке их содержится, как правило, почти пятнадцать процентов. Она предназначена переносить аминокислоты туда, где белок синтезируется. В клетке насчитывается от двадцати до шестидесяти типов транспортной РНК. У них всех — сходная организация в пространстве. Они приобретают структуру, которую называют клеверным листом.
Значение РНК и ДНК
Когда было открыто, что такое ДНК, ее роль не была такой очевидной. Даже сегодня, несмотря на то, что раскрыто намного больше информации, остаются без ответов некоторые вопросы. А какие-то, возможно, еще даже не сформулированы.
Общеизвестное биологическое значение ДНК и РНК заключаются в том, что ДНК передает наследственную информацию, а РНК участвует в синтезе белка и кодирует белковую структуру.
Однако существуют версии, что эта молекула связана с нашей духовной жизнью. Что такое ДНК человека в этом смысле? Она содержит всю информацию о нем, его жизнедеятельности и наследственности. Метафизики считают, что опыт прошлых жизней, восстановительные функции ДНК и даже энергия Высшего «Я» - Творца, Бога содержится в ней.
По их мнению, цепочки содержат коды, касающиеся всех аспектов жизни, включая и духовную часть. Но некоторая информация, например, о восстановлении своего тела, расположена в структуре кристалла многомерного пространства, находящегося вокруг ДНК. Она представляет собой двенадцатигранник и является памятью всей жизненной силы.
Ввиду того, что человек не обременяет себя духовными знаниями, обмен информации в ДНК с кристаллической оболочкой происходит очень медленно. У среднестатистического человека он составляет всего пятнадцать процентов.
Предполагается, что это было сделано специально для сокращения жизни человека и падения на уровень дуальности. Таким образом, у человека растет кармический долг, а на планете поддерживается необходимый для некоторых сущностей уровень вибрации.
Loading...