Нуклеиновые кислоты функции и свойства: Строение, свойства и функции нуклеиновых кислот

Содержание

Нуклеиновые кислоты, их строение, свойства и функции

Подобно белкам, нуклеиновые кислоты — биополимеры, а их функция заключается в хранении, реализации и передаче генетической (наследственной) информации в живых организмах.

Существует два типа нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Мономерами в нуклеиновых кислотах служат нуклеотиды. Каждый из них содержит азотистое основание, пятиуглеродный сахар (дезоксирибоза — в ДНК, рибоза — в РНК) и остаток фосфорной кислоты.

В ДНК входят четыре вида нуклеотидов, отличающихся по азотистому основанию в их составе, — аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). В молекуле РНК также имеется 4 вида нуклеотидов с одним из азотистых оснований — аденином, гуанином, цитозином и урацилом (У).  Таким образом, ДНК и РНК различаются как по содержанию сахара в нуклеотидах, так и по одному из азотистых оснований (табл. 1).

Таблица 1

Компоненты нуклеотидов ДНК и РНК

 

Нуклеиновая кислота

Пятиуглеродный сахар

Азотистые основания

Остаток фосфорной кислоты

ДНК

Дезоксирибоза

Аденин, гуанин, цитозин, тимин

Остаток фосфорной кислоты

РНК

Рибоза

Аденин, гуанин, цитозин, урацил

Остаток фосфорной кислоты

Молекулы ДНК и РНК существенно различаются по своему строению и выполняемым функциям.

Молекула ДНК может включать огромное количество нуклеотидов — от нескольких тысяч до сотен миллионов (поистине гигантские молекулы ДНК удается «увидеть» с помощью электронного микроскопа). В структурном отношении она представляет собой двойную спираль из полинуклеотидных цепей

(рис. 1), соединенных с помощью водородных связей между азотистыми основаниями нуклеотидов. Благодаря этому полинуклеотидные цепи прочно удерживаются одна возле другой.

При исследовании различных ДНК (у разных видов организмов) было установлено, что аденин одной цепи может связываться лишь с тимином, а гуанин — только с цитозином другой. Следовательно, порядок расположения нуклеотидов в одной цепи строго соответствует порядку их расположения в другой. Этот феномен получил название комплементарности (т. е. дополнения), а противоположные полинуклеотидные цепи называются комплементарными. Именно этим обусловлено уникальное среди всех неорганических и органических веществ свойство ДНК — способность к самовоспроизведению или удвоению (рис. 2). При этом сначала комплементарные цепи молекул ДНК расходятся (под воздействием специального фермента происходит разрушение связей между комплементарными нуклеотидами двух цепей). Затем на каждой цепи начинается синтез новой («недостающей») комплементарной ей цепи за счет свободных нуклеотидов, всегда имеющихся в большом количестве в клетке. В результате вместо одной («материнской») молекулы ДНК образуются две («дочерние») новые, идентичные по структуре и составу друг другу, а также исходной молекуле ДНК. Этот процесс всегда предшествует клеточному делению и обеспечивает передачу наследственной информации от материнской клетки дочерним и всем последующим поколениям.

Рис. 1. Двойная спираль ДНК. Две цепи обвиты одна вокруг другой. Каждая цепь (изображенная в виде ленты) состоит из чередующихся остатков сахара и фосфатных групп. Водородные связи между азотистыми основаниями (А, Т, Г и Ц) удерживают две цепи вместе

 

Рис. 2. Репликация ДНК. Двойная спираль «расстегивается» по слабым водородным связям, соединяющим комплементарные основания двух цепей. Каждая из старых цепей служит матрицей для образования новой: нуклеотиды с комплементарными основаниями выстраиваются против старой цепи и соединяются друг с другом

 

Молекулы РНК, как правило, одноцепочечные (в отличие от ДНК) и содержат значительно меньшее число нуклеотидов. Выделяют три вида РНК (табл. 2), различающиеся по величине молекул и выполняемым функциям, — информационную (иРНК), рибосомальную (рРНК) и транспортную (тРНК).

Таблица 2

Три вида РНК

 

РНК

Число нуклеотидов в молекуле

Информационные

До 30 000

Рибосомальные

До 6000

Транспортные

Около 100

Информационная РНК (и-РНК) располагается в ядре и цитоплазме клетки, имеет самую длинную полинуклеотидную цепь среди РНК и выполняет функцию переноса наследственной информации из ядра в цитоплазму клетки.

Транспортная РНК (т-РНК) также содержится в ядре и цитоплазме клет-ки, ее цепь имеет наиболее сложную структуру, а также является самой короткой (75 нуклеотидов). Т-РНК доставляет аминокислоты к рибосомам в процессе трансляции — биосинтеза белка.

Рибосомальная РНК (р-РНК) содержится в ядрышке и рибосомах клетки, имеет цепь средней длины. Все виды РНК образуются в процессе транскрипции соответствующих генов ДНК.

Источник: Краснодембский Е. Г."Общая биология: Пособие для старшеклассников и поступающих в вузы"

Н. С. Курбатова, Е. А. Козлова "Конспект лекций по общей биологии"

 

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ - это... Что такое НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ?

Вирусная РНК может транскрибироваться ферментом - обратной транскриптазой - в ДНК, которая иногда включается в хромосомную ДНК клетки-хозяина. Теперь эта ДНК несет вирусные гены, и после транскрипции в клетке может появиться вирусная РНК. Таким образом, спустя длительное время, в течение которого никакого вируса в клетке не обнаруживается, он снова в ней появится без повторного заражения. Вирусы, генетический материал которых включается в хромосому клетки-хозяина, часто являются причиной рака.

Генетическая информация, закодированная в нуклеотидной последовательности ДНК, переводится не только на язык нуклеотидной последовательности РНК, но и на язык аминокислот - мономерных единиц белков. Белковая молекула - это цепочка из аминокислот. Каждая аминокислота содержит кислую карбоксильную группу -COOH и оснвную аминогруппу -Nh3. Карбоксильная группа одной аминокислоты связывается с аминогруппой другой, образуя амидную связь, и этот процесс продолжается, пока не образуется цепь, содержащая до 1000 аминокислот (см. также

). В белках присутствует 20 разных аминокислот, от последовательности которых зависят их природа и функции. Эта последовательность определяется нуклеотидной последовательностью соответствующего гена - участка ДНК, кодирующего данный белок. Однако сама ДНК не является матрицей при синтезе белка. Сначала она транскрибируется в ядре с образованием матричной РНК (мРНК), которая диффундирует в цитоплазму, и на ней как на матрице синтезируется белок. Процесс ускоряется благодаря тому, что на каждой молекуле мРНК может одновременно синтезироваться множество белковых молекул. Репликация нуклеиновых кислот осуществляется благодаря образованию водородных связей между комплементарными основаниями исходной и дочерней цепей. Аминокислоты не образуют водородных связей с основаниями, так что прямое копирование матрицы невозможно. Они взаимодействуют с матрицей опосредованно, через "адапторные" нуклеиновые кислоты - небольшие молекулы транспортных РНК (тРНК), состоящие примерно из 80 оснований и способные связываться с мРНК. Каждая тРНК содержит специфическую последовательность из трех оснований, антикодон, который комплементарен группе из трех оснований, кодону, в мРНК. Антикодоны взаимодействуют с кодонами по правилу комплементарности, примерно так же, как взаимодействуют две цепи ДНК. Таким образом, последовательность оснований в мРНК определяет порядок присоединения тРНК, несущих аминокислоты. Схематически перенос информации от ДНК к белку можно представить следующим образом:


Последовательность оснований в ДНК задает порядок следования аминокислот в белке, поскольку каждая аминокислота присоединяется специфическим ферментом только к определенным тРНК, а те, в свою очередь, - только к определенным кодонам в мРНК. Комплексы тРНК-аминокислота связываются с матрицей по одному в каждый данный момент времени. Ниже перечислены основные этапы белкового синтеза (см. также рисунок).

ЭТАПЫ БЕЛКОВОГО СИНТЕЗА
1. Ферменты, называемые аминоацил-тРНК-синтетазами, присоединяют аминокислоты к соответствующим тРНК. Таких ферментов 20, по одному для каждой аминокислоты. 2. Молекула мРНК присоединяется своим первым кодоном к небольшой частице, называемой рибосомой. Рибосомы состоят из примерно равных количеств рРНК и белка. Структура и функция рибосом весьма сложны, но главная их задача - облегчение взаимодействия мРНК и тРНК и ускорение полимеризации аминокислот, связанных с разными тРНК. 3. тРНК, нагруженная аминокислотой, связывается с соответствующим кодоном мРНК, которая, в свою очередь, контактирует с рибосомой. Образуется комплекс рибосома-мРНК-тРНК-аминокислота. 4. мРНК, подобно ленте на конвейере, продвигается по рибосоме на один кодон вперед. 5. Следующая тРНК, нагруженная аминокислотой, присоединяется ко второму кодону. 6. Первая и вторая аминокислоты связываются между собой. 7. Первая тРНК отсоединяется от комплекса, и теперь вторая тРНК несет две аминокислоты, связанные между собой. 8. мРНК снова продвигается на один кодон вперед, и все события повторяются, а растущая аминокислотная цепь удлиняется на одну аминокислоту. Процесс продолжается, пока не будет достигнут последний, "стоп"-кодон и последняя тРНК не отделится от готовой белковой цепи. В бактериальных клетках цепь из 100-200 аминокислот собирается за несколько секунд. В животных клетках этот процесс занимает около минуты.
Генетический код. Итак, каждая аминокислота в белке опосредованно детерминируется определенным кодоном (группой из 3 оснований) в мРНК и в конечном счете в ДНК. Поскольку в нуклеиновых кислотах имеется четыре вида оснований, число возможных кодонов составляет 4ґ4ґ4 = 64. Соответствие между кодонами и аминокислотами, которые они кодируют, называется генетическим или биологическим кодом. Это соответствие было установлено опытным путем: к разрушенным клеткам добавляли синтетические полинуклеотиды известного состава и смотрели, какие аминокислоты включаются в белки. Позднее появилась возможность прямо сравнить последовательности аминокислот в вирусных белках и оснований в вирусных нуклеиновых кислотах. Чрезвычайно интересно, что генетический код, за редкими исключениями, одинаков для всех организмов - от вирусов до человека. Одно из таких исключений составляют изменения в генетическом коде, используемом митохондриями. Митохондрии - это небольшие автономные субклеточные частицы (органеллы), присутствующие во всех клетках, кроме бактерий и зрелых эритроцитов. Предполагают, что когда-то митохондрии были самостоятельными организмами; проникнув в клетки, они со временем стали их неотъемлемой частью, но сохранили некоторое количество собственной ДНК и синтезируют несколько митохондриальных белков.
Вообще говоря, каждой аминокислоте соответствует более одного кодона. Большинство кодонов, кодирующих одну и ту же аминокислоту, имеют два одинаковых первых основания, но в трех случаях (для лейцина, серина и аргинина) имеются два альтернативных набора первых дублетов в кодонах, соответствующих одной и той же аминокислоте. Природа основания в третьем положении не столь важна; одна и та же аминокислота - глицин - может кодироваться по-разному: ГГУ, ГГЦ, ГГА и ГГГ. Однако кодоны для двух разных аминокислот могут иметь два одинаковых первых основания, и тогда различие между ними будет определяться природой третьего основания - пурином или пиримидином. Так, гистидин кодируется триплетами ЦАУ и ЦАЦ, а глутамин - ЦАА и ЦАГ. Три кодона, УАА, УАГ и УГА, не кодируют никаких аминокислот и называются "бессмысленными". Одна молекула ДНК кодирует много белковых цепей. Каждый отрезок, кодирующий одну цепь, называют цистроном. Начало и конец цистрона, а также граница раздела между ними помечаются с помощью своего рода знаков химической пунктуации. По крайней мере у бактерий в начале цистрона находится метиониновый кодон АУГ. Логично предположить, что первой аминокислотой в белке всегда должен быть метионин, но часто несколько первых аминокислот отщепляются ферментативно после окончания синтеза белка. Конец белковой цепи помечается одним или несколькими "бессмысленными" кодонами. У бактерий (прокариот) практически вся ДНК кодирует какие-либо белки или тРНК. Однако у высших форм (эукариот) значительная часть ДНК состоит из простых повторяющихся последовательностей и "молчащих" генов, которые не транскрибируются в РНК и поэтому не транслируются в белки. Кроме того, исходно синтезированная мРНК содержит участки, не детерминирующие никаких белковых последовательностей. Такие участки (интроны), расположенные между кодирующими участками (экзонами), перед началом синтеза белка удаляются специальными ферментами. Почему в ДНК существуют эти казалось бы бесполезные сегменты - неясно; возможно, они выполняют регуляторные функции. У простейшей Tetrahymena РНК сама удаляет свои интроны и соединяет свободные концы цепей, действуя как фермент по отношению к себе самой. Это единственное известное исключение из правила, согласно которому нуклеиновые кислоты не обладают ферментативной активностью.
Транспортные РНК и супрессия. Смысл информации, содержащейся в ДНК, если переводить ее на язык аминокислот, определяется как самой ДНК, так и считывающим механизмом, т.е. зависит не только от того, какие кодоны есть в ДНК и в какой последовательности они расположены, но также и от того, какие именно аминокислоты (и к каким тРНК) присоединяют аминоацил-тРНК-синтетазы. Конечно, природа синтетаз и тРНК тоже определяется ДНК, и в этом смысле ДНК является первичным детерминантом белковой последовательности. Тем не менее суммарная детерминация представляет собой функцию всей системы, поскольку результат зависит от исходных компонентов. Если бы соответствие между тРНК и аминокислотами было другим, смысл кодонов тоже изменился бы. Известно, что мутации в ДНК изменяют считывающий механизм и в результате меняют - пусть и незначительно - смысл кодонов. Так, в бактерии Escherichia coli глициновая тРНК обычно узнает в мРНК кодон ГГА; мутация в ДНК, с которой транскрибируется эта тРНК, изменяет антикодон глициновой тРНК таким образом, что теперь он узнает кодон АГА, соответствующий аргинину, и в белковой молекуле вместо аргинина появляется глицин. Это не обязательно имеет фатальные последствия, поскольку не все аргинины кодируются триплетом АГА и есть аргининовые тРНК, по-прежнему узнающие "свои" АГА. В результате измененными оказываются не все белковые молекулы. Иногда такие мутации, изменяющие антикодон, подавляют (супрессируют) мутации в кодоне. Например, если в результате мутации глициновый кодон ГГА превращается в АГА, он все же может прочитываться как глицин, если антикодон глициновой тРНК, в свою очередь, изменился так, что эта тРНК стала узнавать АГА. В этом случае вторая "ошибка" устраняет первую. Мутации, приводящие к изменению антикодонов, могут иметь разные последствия, поскольку один и тот же кодон может узнаваться несколькими тРНК. Вообще говоря, узнавание осуществляется благодаря комплементарности оснований кодона и антикодона, однако одно из оснований кодона может модифицироваться таким образом, что антикодон будет узнавать даже неполностью комплементарный кодон. В результате одна и та же тРНК может взаимодействовать с несколькими разными кодонами, кодирующими одну и ту же аминокислоту. Этот феномен неполного соответствия кодона и антикодона был назван Ф. Криком "шатанием".
Регуляция активности генов. Для организма было бы катастрофой, если бы во всех его клетках одновременно работали все гены и синтезировались все закодированные ими белки. Бактерии, например, должны все время приспосабливаться к условиям среды, синтезируя нужные ферменты. Все клетки высших организмов имеют один и тот же набор генов, но, к счастью, клетки мозга не продуцируют пищеварительные ферменты, а в хрусталике глаза не синтезируются мышечные белки. Активность гена характеризуется тем, транскрибируется ли он с образованием соответствующей мРНК. ДНК - длинная молекула, и в определенных ее участках имеются последовательности, называемые промоторами, которые распознаются специфическим транскрибирующим ферментом - полимеразой. В этих участках и только в них начинается транскрипция, продолжаясь до тех пор, пока не достигнет последовательности оснований, означающей конец считывания. Существуют особые репрессорные белки, которые связываются с ДНК поблизости от промотора в участке, называемом оператором. Образовавшийся комплекс блокирует транскрипцию, и мРНК не синтезируется. Таким образом, репрессорные белки являются ингибиторами транскрипции. С другой стороны, существуют небольшие молекулы, которые образуют комплекс с репрессорами и снимают их блокирующее действие на транскрипцию. Иными словами, они ингибируют ингибиторы. Так, у бактерий в норме отсутствуют ферменты, катализирующие расщепление некоторых сахаров; однако если один из этих сахаров появляется в среде, он образует комплекс с репрессором, ингибирование снимается и запускается синтез соответствующего фермента. Ферменты, синтез которых индуцируется собственными субстратами, называются индуцибельными. В ряде случаев, наоборот, репрессорный белок не блокирует транскрипцию мРНК, если он не связан с определенной молекулой. У бактерий некоторые ферменты, участвующие в синтезе определенных аминокислот, образуются только в отсутствие этих аминокислот, т.е. бактерии производят данные ферменты лишь по мере надобности. Если добавить в среду соответствующую аминокислоту, она образует комплекс с репрессором и активирует его, а тем самым ингибирует транскрипцию соответствующих генов. Уже образовавшаяся мРНК вскоре расщепляется, и синтез ферментов останавливается. Такие ферменты являются отрицально индуцибельными. Поскольку репрессорные белки сами кодируются генами, работа которых, в свою очередь, может регулироваться другими генами, а синтез малых молекул-индукторов и гормонов также в конечном счете регулируется генами, механизмы регуляции генной активности могут быть очень сложными.
ЛИТЕРАТУРА
Ичас М. Биологический код. М., 1971 Шабарова З.А., Богданов А.А. Химия нуклеиновых кислот и их компонентов, М., 1978 Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. М., 1987

Энциклопедия Кольера. — Открытое общество. 2000.

Нуклеиновые кислоты. Свойства и функции

Просмотр содержимого документа
«Нуклеиновые кислоты. Свойства и функции»

Нуклеиновые кислоты. Свойства и функции.

Нуклеиновые кислоты – сложные высокомолекулярные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды

-фосфорсодержащие биополимеры живых организмов, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации. Открыты они в 1869 г. швейцарским химиком

Ф. Мишером в ядрах лейкоцитов. Впоследствии нуклеиновые кислоты были обнаружены во всех растительных и животных клетках, бактериях, вирусах и грибах

Фридрих Мишер  ( 18441895 ) — швейцарский физиологгистолог  и  биолог , В  1869 году  Фридрих Мишер открыл  ДНК . Вначале новое вещество получило название  нуклеин , а позже, когда Мишер определил, что это «вещество» обладает кислотными свойствами, вещество получило название  нуклеиновая кислота

Строение нуклеотида

Молекула нуклеотида состоит из трех частей: азотистого основания, пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и фосфорной кислоты. В зависимости от видов пентозы различают два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК

Строение ДНК и РНК

Уровни пространственной организации ДНК

Типы РНК

  • Информационная или матричная РНК – (иРНК или м РНК) – представляет собой копию определенного участка молекулы ДНК – переносит наследственную информацию от ДНК к месту синтеза полипептидной цепи, а также непосредственно участвует в ее сборке
  • Транспортная РНК (т РНК) – имеет наименьшие размеры среди всех РНК. Она присоединяет аминокислоты и транспортирует их к месту синтеза белковых молекул
  • Рибосомальная РНК (р РНК) – входит в состав рибосом. Вместе с белками выполняет структурную функцию, обеспечивая определённое пространственное расположение иРНК и тРНК во время биосинтеза белковой молекулы

Пространственная конфигурация тРНК – лист клевера и L – образная структура

Строение, свойства и функции ДНК

Ученые, которые занимались изучением структуры ДНК

  • Главным направлением научной деятельности было изучение химического состава и структуры  нуклеиновых кислот . Эрвин Чаргафф определил количественное отношение  азотистых оснований , входящих в их состав .
  • В 1950  —  1953 годах  им было показано, что общее количество  адениновых  остатков в каждой молекуле  ДНК равно количеству  тиминовых  остатков (А = Т), а количество  гуаниновых  остатков — количеству  цитозиновых (Г = Ц).  
  • Сумма нуклеотидов с аденином и гуанином равна сумме нуклеотидов с тимином и цитозином (А + Г = Т + Ц)

Эрвин Чаргафф (1905 - 2002) - американский  биохимик  австрийского происхождения

  • Молекула состоит из двух цепей нуклеотидов, соединенных с помощью водородных связей, которые возникают между двумя нуклеотидами (А с Т и Г с Ц)
  • Между А и Т возникают две водородные связи, между Ц и Г – три
  • Четкое соответствие нуклеотидов в двух цепях ДНК имеет название комплементарность

Строение ДНК

Две цепи нуклеотидов обвивают друг друга, создавая закрученную вправо спираль диаметром 2 нм (2*10 - 6 мм ). Так возникает вторичная структура ДНК, тогда как первичная – это определенная последовательность остатков нуклеотидов, расположенных в виде двойной цепи. Молекулы ДНК образуют компактные структуры. Так, длина одной нити ДНК составляющая 8 см свернута таким образом, что вмещается в хромосоме длиной 5 мкм.

Свойства ДНК

  • Денатурация, ренатурация, деструкция
  • Репликация – способность к самоудвоению (две дочерние ДНК содержат по одной цепочке материнской, а другую достраивают заново)

Функции ДНК

  • Единица наследственной информации – ген – участок молекулы ДНК, который несет наследственную информацию
  • Гены делят на структурные (кодируют строение белков и нуклеиновых кислот) и регуляторные (служат местом присоединения ферментов)
  • Совокупность всех генов в организме называется геном – интегрированная система, в которой отдельные гены взаимодействуют между собой
  • ДНК выполняет следующие функции:

1) хранение наследственной информации

2) передача наследственного материала; происходит путем репликации ДНК ; 3) реализация наследственной информации в процессе синтеза белка - транскрипция .

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ • Большая российская энциклопедия

  • В книжной версии

    Том 23. Москва, 2013, стр. 377-378

  • Скопировать библиографическую ссылку:


Авторы: А. А. Богданов

НУКЛЕИ́НОВЫЕ КИСЛО́ТЫ (по­ли­нук­лео­ти­ды), био­по­ли­ме­ры, в струк­ту­ре ко­то­рых за­ло­же­на спо­соб­ность к точ­ной ре­ду­п­ли­ка­ции и об­ра­зо­ва­нию спе­ци­фич. ком­плек­сов с бел­ка­ми и друг с дру­гом, что по­зво­ля­ет им вы­пол­нять функ­ции хра­не­ния, пе­ре­да­чи и реа­ли­за­ции ге­не­тич. ин­фор­ма­ции. От­кры­ты И. Ф. Ми­ше­ром в 1868 в яд­рах кле­ток гноя и спер­мы ло­со­ся (от­сю­да назв.: лат. nucleus – яд­ро). Тер­мин «Н. к.» вве­дён в 1889 нем. учё­ным Р. Альт­ма­ном, ко­то­рый пер­вым вы­де­лил их в чис­том ви­де. В Н. к. ко­диро­ва­на ин­фор­ма­ция о строе­нии всех бел­ков клет­ки или ви­ру­са и вре­мен­но́й по­сле­до­ва­тель­но­сти их син­те­за при кле­точ­ном рос­те и диф­фе­рен­ци­ров­ке или ви­рус­ной ин­фек­ции.

Мак­ро­мо­ле­ку­лы Н. к. по­строе­ны из ли­ней­ных по­ли­нук­лео­тид­ных це­пей, мо­но­мер­ны­ми со­став­ляю­щи­ми ко­то­рых яв­ля­ют­ся ос­тат­ки нук­лео­ти­дов – фос­фор­ных эфи­ров нук­лео­зи­дов, в свою оче­редь, со­стоя­щих из ос­тат­ка мо­но­са­ха­ри­да – D-де­зок­си­ри­бо­зы или D-ри­бо­зы и азо­ти­сто­го ос­но­ва­ния. Со­от­вет­ст­вен­но, в за­ви­си­мо­сти от при­ро­ды уг­ле­вод­но­го ос­тат­ка раз­ли­ча­ют де­зок­си­ри­бо­нук­леи­но­вые (ДНК) и ри­бо­нук­леи­но­вые (РНК) ки­сло­ты. В ДНК азо­ти­стые ос­но­ва­ния пред­став­ле­ны дву­мя пу­ри­но­вы­ми ос­но­ва­ния­ми – аде­ни­ном (А) и гуа­ни­ном (G) и дву­мя пи­ри­ми­ди­но­вы­ми ос­но­ва­ния­ми – ти­ми­ном (Т) и ци­то­зи­ном (С). РНК вме­сто ти­ми­на со­дер­жит ура­цил (U). В по­ли­нук­лео­тид­ной це­пи Н. к. ос­тат­ки нук­лео­ти­дов со­еди­не­ны фос­фо­ди­эфир­ны­ми свя­зя­ми.

В клет­ке Н. к. взаи­мо­дей­ст­ву­ют с бел­ка­ми, об­ра­зуя ли­бо дол­го­жи­ву­щие струк­ту­ры (напр., нук­лео­ид у бак­те­рий, хро­мо­со­мы у эу­ка­ри­от и ри­бо­со­мы у всех жи­вых ор­га­низ­мов), ли­бо мно­го­числ. функ­цио­наль­ные ком­плек­сы, вре­мя жиз­ни ко­то­рых оп­ре­де­ля­ет­ся вы­пол­няе­мой ими функ­ци­ей. В ви­рус­ных час­ти­цах Н. к. так­же свя­за­ны с бел­ка­ми. Важ­ней­шая ха­рак­те­ри­сти­ка лю­бой Н. к. – её нук­лео­тид­ная по­сле­до­ва­тель­ность (на­зы­вае­мая так­же пер­вич­ной струк­ту­рой ДНК или РНК), т. е. по­ря­док че­ре­до­вания че­ты­рёх нук­лео­тид­ных ос­тат­ков в по­ли­нук­лео­тид­ной це­пи. Оп­ре­де­ле­ние пер­вич­ной струк­ту­ры Н. к. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся с по­мо­щью ав­то­ма­тич. се­к­ве­на­то­ров (от англ. sequence – по­сле­до­ва­тель­ность), ко­то­рые ра­бо­та­ют в со­че­та­нии с су­пер­ком­пь­ю­те­ра­ми и спо­соб­ны за су­тки рас­шиф­ро­вы­вать по­сле­до­ва­тель­но­сти ДНК дли­ной в де­сят­ки и сот­ни мил­лио­нов нук­лео­тид­ных ос­тат­ков. Бла­го­да­ря это­му совр. ба­зы дан­ных со­дер­жат ги­гант­ский объ­ём ин­фор­ма­ции о пер­вич­ной струк­ту­ре ДНК и РНК, в т. ч. о пол­ной струк­ту­ре ге­но­мов мно­же­ст­ва ви­ру­сов и ор­га­низ­мов, вклю­чая че­ло­ве­ка. Эта ин­фор­ма­ция пред­став­ля­ет боль­шой ин­те­рес для био­ло­гии, ме­ди­ци­ны и био­тех­но­ло­гии. Она ана­ли­зи­ру­ет­ся с по­мо­щью ме­то­дов био­ин­фор­ма­ти­ки.

В 1953 Дж. Уот­сон и Ф. Крик ус­та­но­ви­ли, что в ос­но­ве про­стран­ст­вен­ной ор­га­ни­за­ции мак­ро­мо­ле­ку­лы ДНК ле­жит прин­цип ком­пле­мен­тар­но­сти нук­леи­но­вых ос­но­ва­ний. Они по­ка­за­ли, что мак­ро­мо­ле­ку­ла ДНК пред­став­ля­ет со­бой спи­раль, в ко­то­рой две по­ли­нук­лео­тид­ные це­пи за­кру­че­ны во­круг об­щей оси и удер­жи­ва­ют­ся од­на воз­ле дру­гой за счёт то­го, что аде­нин од­ной це­пи спа­рен все­гда толь­ко с ти­ми­ном, на­хо­дя­щим­ся на­про­тив не­го в др. це­пи, и гуа­нин, ана­ло­гич­ным об­ра­зом, спа­рен толь­ко с ци­то­зи­ном. Ра­бо­те Уот­со­на и Кри­ка пред­ше­ст­во­ва­ло от­кры­тие в 1944 О. Эй­ве­ри с со­труд­ни­ка­ми (США) то­го фак­та, что с по­мо­щью ДНК ге­не­тич. при­зна­ки мо­гут быть пе­ре­не­се­ны из од­ной клет­ки в дру­гую, а так­же фун­дам. ис­сле­до­ва­ние в кон. 1940-х гг. Э. Чар­гаф­фом с со­труд­ни­ка­ми ко­ли­че­ст­вен­но­го нук­лео­тид­но­го со­ста­ва ДНК из мно­гих ор­га­низ­мов, в ко­то­ром бы­ло по­ка­за­но, что для этих мо­ле­кул стро­го со­блю­да­ет­ся пра­ви­ло ра­вен­ст­ва со­дер­жа­ния ос­тат­ков: А=Т и G=С. Ос­но­вы­ва­ясь на из­вест­ной струк­ту­ре ДНК и прин­ци­пе ком­пле­мен­тар­но­сти нук­леи­но­вых ос­но­ва­ний, Уот­сон и Крик пред­ло­жи­ли ме­ха­низм ре­ду­п­ли­ка­ции ДНК и тем са­мым опи­са­ли яв­ле­ние на­след­ст­вен­но­сти на мо­ле­ку­ляр­ном уров­не. Пуб­ли­ка­ция их ра­бо­ты по­ло­жи­ла на­ча­ло мо­ле­ку­ляр­ной био­ло­гии, гл. объ­ек­том ко­то­рой бы­ли и ос­та­ют­ся нук­леи­но­вые ки­сло­ты.

Прин­ци­пы ор­га­ни­за­ции мак­ро­мо­ле­ку­ляр­ной струк­ту­ры РНК ус­та­нов­ле­ны на ру­бе­же 1950–60-х гг. ра­бо­та­ми ла­бо­ра­то­рий П. До­ти (США), А. С. Спи­ри­на (СССР). Мак­ро­мо­ле­ку­лы РНК за ред­ким ис­клю­че­ни­ем по­строе­ны из од­ной по­ли­нук­лео­тид­ной це­пи. Ха­рак­тер­ные эле­мен­ты вто­рич­ной струк­ту­ры РНК – ко­рот­кие дву­спи­раль­ные «шпиль­ки», пе­ре­ме­жаю­щие­ся од­но­тя­же­вы­ми уча­ст­ка­ми. Вся мо­ле­ку­ла РНК ук­ла­ды­ва­ет­ся в ком­пакт­ную тре­тич­ную струк­ту­ру, ста­би­ли­зи­ро­ван­ную взаи­мо­дей­ст­вия­ми ме­ж­ду дос­та­точ­но уда­лён­ны­ми друг от дру­га во вто­рич­ной струк­ту­ре нук­лео­тид­ны­ми ос­тат­ка­ми. При взаи­мо­дей­ст­вии с бел­ка­ми про­ис­хо­дит ста­би­ли­за­ция мак­ро­мо­ле­кул РНК.

В ос­но­ве био­син­те­за Н. к. ле­жат мат­рич­ный прин­цип и прин­цип ком­пле­мен­тар­но­сти нук­леи­но­вых ос­но­ва­ний. Син­тез ДНК (ре­п­ли­ка­ция) и РНК (транс­крип­ция) осу­ще­ст­в­ля­ет­ся фер­мен­та­ми ДНК- и РНК-по­ли­ме­ра­за­ми со­от­вет­ст­вен­но, ко­то­рые про­из­во­дят ком­пле­мен­тар­ное ко­пи­ро­ва­ние ДНК-мат­риц. Мат­ри­цей для син­те­за ДНК мо­жет слу­жить так­же од­но­тя­же­вая РНК (напр., РНК рет­ро­ви­ру­сов или РНК-ком­по­нент те­ло­ме­ра­зы), ком­пле­мен­тар­ное ко­пи­ро­ва­ние ко­то­рой осу­ще­ст­в­ля­ет фер­мент об­рат­ная транс­крип­та­за. В слу­чае мно­гих РНК-со­дер­жа­щих ви­ру­сов мат­ри­цей для син­те­за РНК слу­жит ви­рус­ная РНК.

В про­цес­се или по­сле за­вер­ше­ния син­те­за ДНК её ге­те­ро­цик­лич. ос­но­ва­ния (гл. обр. аде­нин и ци­то­зин) мо­гут под­вер­гать­ся спе­ци­фич. ме­ти­ли­ро­ва­нию, в ре­зуль­та­те ко­то­ро­го из­ме­ня­ет­ся ак­тив­ность оп­ре­де­лён­ных ге­нов. Та­кая мо­ди­фи­ка­ция ДНК ле­жит в ос­но­ве од­но­го из глав­ных эпи­ге­не­тич. ме­ха­низ­мов клет­ки. Азо­ти­стые ос­но­ва­ния вновь об­ра­зо­ван­ных РНК (в осо­бен­но­сти транс­порт­ных и ри­бо­сом­ных РНК) так­же спе­ци­фи­че­ски мо­ди­фи­ци­ру­ют­ся, что не­об­хо­ди­мо для их пра­виль­но­го функ­цио­ни­ро­ва­ния. Важ­ной мо­ди­фи­ка­ци­ей, ко­то­рой под­вер­га­ют­ся все из­вест­ные ти­пы кле­точ­ных РНК, на­зы­вае­мой ре­дак­ти­ро­ва­ни­ем РНК, яв­ля­ет­ся де­за­ми­ни­ро­ва­ние оп­ре­де­лён­ных ос­тат­ков аде­ни­на и пре­вра­ще­ние их в ино­зин.

Ес­ли фун­дам. био­ло­гич. роль ДНК со­сто­ит в хра­не­нии за­клю­чён­ной в ней ге­не­тич. ин­фор­ма­ции, то функ­ции РНК бо­лее раз­но­об­раз­ны. Они иг­ра­ют клю­че­вую роль на всех эта­пах био­син­те­за бел­ка (см. Транс­ля­ция) и пря­мо уча­ст­ву­ют в ре­гу­ля­ции ак­тив­но­сти ге­нов (в т. ч. по­сред­ст­вом РНК-ин­тер­фе­рен­ции). У ря­да РНК, на­зы­вае­мых ри­бо­зи­ма­ми, от­кры­та спо­соб­ность ка­та­ли­зи­ро­вать раз­но­об­раз­ные био­хи­мич. ре­ак­ции.

Н. к. – осн. объ­ект совр. био­тех­но­ло­гии, что обу­слов­ле­но воз­мож­но­стью соз­да­вать ис­кус­ст­вен­ные ДНК и РНК с за­дан­ны­ми свой­ст­ва­ми ме­то­да­ми ге­не­тич. ин­же­не­рии. См. так­же Де­зок­си­ри­бо­нук­леи­но­вые ки­сло­ты, Ри­бо­нук­леи­но­вые ки­сло­ты.

Нуклеиновые кислоты: функции и химические свойства

Рост и развитие всех организмов определяются и контролируются генетической программой. Вы уже знаете, что наследственная информация хранится в структуре молекул ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Другие молекулы РНК (рибонуклеиновой кислоты) — участвуют в реализации этой информации, а именно в биосинтезе белка. Оба указанных типа молекул относятся к нуклеиновым кислотам.

Нуклеиновые кислоты — биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Нуклеотиды — это органические вещества, состоящие из трех химических компонентов, соединенных ковалентными связями: моносахарида (пентоза), ортофосфорной кислоты и азотсодержащего основания — вещества с циклическим строением молекулы.

Разнообразие нуклеотидов

Все нуклеотиды содержат одинаковые остатки ортофосфорной кислоты. А различаются они углеводными компонентами и азотсодержащими основами. Моносахаридами, входящими в состав нуклеотидов, могут быть рибоза или дезоксирибоза. Нуклеотиды с рибозой образуют молекулы РНК, с дезоксирибозой — ДНК. Азотсодержащие основы, которые могут входить в состав нуклеотидов, называют аденином, тимином, урацилом, цитозином и гуанином. Сокращенно их обозначают первыми буквами названий веществ: А, Т, У, Ц, Г.

Строение молекулы нуклеотида (остаток моносахарида обозначен синим цветом, остаток ортофосфорной кислоты — желтым, остаток азотсодержащей основы — зеленым)

Нуклеотиды способны взаимодействовать друг с другом, формируя длинные цепи. Крепкая ковалентная связь образуется между гидроксильной группой углевода одного нуклеотида и гидроксильной группой ортофосфорной кислоты другого нуклеотида. В результате образованное соединение будет включать с одной стороны остаток ортофосфорной кислоты, а с другой — моносахарида, а потому может взаимодействовать с другим нуклеотидом. Сама молекула ДНК клеток человека содержит последовательно почти 250 млн нуклеотидов. Если эту молекулу развернуть, ее длина составит 85 мм (вспомните для сравнения размеры клетки).

Последовательность «букв» азотсодержащих оснований и является основой кода, которым записана информация в молекулах ДНК и РНК. Как он «работает», мы рассмотрим позже, а теперь рассмотрим особенности строения этих веществ.

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.

Гистоны — большой класс белков ядра клетки, выполняющих две основные функции: они участвуют в упаковке нитей ДНК в ядре клетки и в регуляции процессов в ядре клетки, таких как транскрипция, репликация и репарация. Существует пять различных типов гистонов h2/Н5, h3A, h3B, h4, h5.

Молекула РНК

Молекулы РНК клеток прокариот и эукариот состоят из одной цепи. Существуют три основных типа РНК, которые различаются местоположением в клетке, структурой и функциями в биосинтезе белка. Информационная, или матричная, РНК (иРНК, или мРНК) переносит наследственную информацию от ДНК к месту синтеза полипептидной цепи. Транспортная РНК (тРНК), которая из всех молекул РНК имеет наименьшие размеры (состоит из 70-90 нуклеотидов), транспортирует аминокислоты к месту синтеза белковых молекул. Рибосомная РНК (рРНК) входит в состав особых органических клеток — рибосом, которые обеспечивают синтез белковой молекулы. Бывают и другие типы РНК.

Ядерная ДНК сохраняется в ядре, там же синтезируются молекулы РНК. Далее РНК транспортируются из ядра клетки в цитоплазму, где синтезируются белки. Приводим сравнительную таблицу двух типов нуклеиновых кислот.

Особенности строения и локализация в клетке ДНК РНК
Количество цепей 2 1
Нуклеотидный состав полимера (название нуклеотида предоставляется по названию азотсодержащих основы) (А) Адениловый
(Г) Гуаниловый
(Т) тимидиловый
(Ц) Цитидиловый
(А) Адениловый
(Г) Гуаниловый
(У) Урациловый
(Ц) Цитидиловый
Вещества, образующие нуклеотид Азотсодержащая основа
Ортофосфорная кислота
Углевод — дезоксирибоза
Азотсодержащая основа
Ортофосфорная кислота
Углевод — рибоза
Локализация в эукариотической клетке Ядро, Хлоропласты, Митохондрии Ядро, Цитоплазма, Рибосомы, Хлоропласты, Митохондрии

Другие функции нуклеотидов. АТФ.

Некоторые нуклеотиды функционируют в клетках не только как мономеры нуклеиновых кислот, а имеют дополнительные, самостоятельные функции.

Самым главным из таких нуклеотидов является АТФ (аденозинтрифосфат). Этот нуклеотид состоит из аденина, рибозы и трех остатков ортофосфорной кислоты. Особенностью строения этой молекулы является то, что для присоединения последующих остатков ортофосфорной кислоты требуется гораздо больше энергии, чем на присоединение первого — так в клетках накапливается энергия. От синтезированной молекулы АТФ путем гидролиза отщепляется третий остаток ортофосфорной кислоты, накопленная энергия высвобождается и используется для осуществления различных процессов (синтез или разложение химических веществ, изменение их структуры, осуществления движений и т.д.). Уравнение такой реакции:

АТФ + Н2O -> АДФ + Н3РO4 + Е (50 кДж / моль),

где АДФ —  аденозинтрифосфорная кислота, Е — энергия, выделяющаяся в результате реакции. Образованная АДФ может дальше расщепляться до аденозинмонофосфорной кислоты (АМФ), но во время этой реакции высвобождается меньше энергии (33-42 кДж / моль). Конечный результат реакций — АМФ является обычным РНК-нуклеотидом и не хранит большого количества энергии.

Структурная формула молекулы АТФ

АТФ — это молекула, является универсальным внутриклеточным переносчиком энергии. Молекулы АТФ могут образовываться за счет энергии, которая выделяется в реакциях бескислородного расщепления глюкозы или окисления органических веществ в митохондриях, за счет энергии света в ходе фотосинтеза и др. Расщепление АТФ происходит всегда, когда клетке нужна энергия для осуществления определенной реакции.

Кроме АТФ в клетках «работают» и другие нуклеотиды. К ним относятся никотинамид (НАД) и никотинамид-фосфат (НАДФ). Эти нуклеотиды переносят химические вещества и являются важными для работы митохондрий и фотосинтеза.

60 Баховское чтение, 2004 год

академик Л. Л. КИСЕЛЁВ
(Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН)

 

«БЕЛКИ — ХИМИЧЕСКИ, НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ — ФУНКЦИОНАЛЬНО: «АНТИРИБОЗИМЫ»»

Таблица генетического кода включает 64 кодона, из которых 61 триплет декодируется в рибосоме с помощью молекулы-адаптера — тРНК. Механизм декодирования UAA, UAG и UGA (стоп-, нонсенс-, терминирующих кодонов) до сих пор остается неизвестным. В последние 3 года удалось доказать, что это декодирование осуществляют особые белки, называемые факторами освобождения полипептидных цепей, или факторами терминации трансляции (RF1 и RF2 — у прокариот, eRF1 — у эукариот). Работами нашей и других лабораторий доказано, что функция декодирования принадлежит N-домену eRF1. Направленный мутагенез консервативных, полуконсервативных и вариабельных аминокислотных остатков N-домена выявил функционально важные остатки. Эти данные не согласуются с гипотезой «белкового антикодона», предложенного для факторов RF1 и RF2 как механизм декодирования. Детальное сопоставление свойств eRF1 и (аминоацил-)тРНК приводит к выводу, что, несмотря на фундаментальные химические различия, это функционально однотипные молекулы. Иными словами, eRF1 — это функциональный аналог тРНК. Известно, что некоторые нуклеиновые кислоты обладают каталитической активностью — наиболее характерным свойством белков-ферментов. Их называют рибозимами. Факторы RF1, RF2 и eRF1, наоборот, представляют собой белки, но их функция тождественна функции тРНК. Поэтому можно условно их назвать «антирибозимами». Вероятно, факторы терминации — не единственный случай в природе, когда белки принимают на себя функции нуклеиновых кислот. Можно предполагать, что и некоторые другие белки окажутся по своим свойствам «антирибозимами». Обобщая, можно предполагать, что, несмотря на химическую пропасть, разделяющую нуклеиновые кислоты и белки, молекулярная эволюция сумела эту пропасть преодолеть, придав функциональные свойства белков нуклеиновым кислотам и наоборот.

Киселев Л.Л. (2003) Факторы терминации 1-го класса — функциональные аналоги аминоацил-тРНК. Молекулярная биология, 37, № 6, 931-943.
Kisselev L.L., Ehrenberg M., and Frolova L.Yu. (2003) Termination of translation: interplay of mRNA, rRNAs and release factors? EMBO J., 22 No. 2, 175-82.

 

Строение, виды и функции нуклеиновых кислот

Впервые были выделены Ф. Мишером в 1869г. из ядер клеток в виде соединения с белками – нуклеина.

В 1899г. Р. Альтман выделил нуклеиновые кислоты из животных тканей и дрожжей.

В 1936г А.Н.Белозерский

выделил их в чистом виде из

растительного материала.

А.Н.Белозерский

Нуклеиновые кислоты - это полимеры, молекулы которых состоят из многократно повторяющихся звеньев - нуклеотидов.

Формулы нуклеотидов

Фрагмент молекулы нуклеиновой кислоты

Классификация нуклеиновых кислот по составу

Нуклеиновые кислоты

Рибонуклеиновые Дезоксирибонуклеиновые

(РНК) (ДНК)

аденин, гуанин,

цитозин,фосфорная

кислота

рибоза, дезоксирибоза,

урацил тимин

ДНК

В зависимости от локализации ДНК в клетке различают: ядерную; митохондриальную; хлоропластическую; центриольную; эписомиальную.

Функции ДНК – хранение и передача наследственной информации.

РНК

Различают информационные (и – РНК), рибосомные (р – РНК) и транспортные (т – РНК).

Главная функция всех типов молекул РНК – участие в биосинтезе белка.

Биосинтез ДНК

Для того, чтобы осуществить синтез ДНК необходимо:

- наличие всех 4-х нуклеозид-3-фосфат

- каталитическое воздействие ферментов ДНК – полимераз

- наличие “ затравки ” в виде готового полинуклеотида

Общая схема синтеза ДНК

Механизм биосинтеза ДНК был разработан Уотсоном и Криком. Этот процесс называется – репликация .

Процесс репликации проходит в 3 стадии:

  • Инициация
  • Элонгация
  • Терминация

Инициация(начало)

На определенном участке под действием ДНК – раскручивающего белка, спираль расходится на 2 цепочки. Образуется репликативная вилка.

Напротив “ затравки ” по принципу комплементарности выстраиваются нуклеозид трифосфаты. Происходит реакция Койнберга. Из этих нуклеозидтрифосфатов выстраивается лидирующая цепочка.

Запаздывающая цепочка строится из праймеров (олигорибонуклеотиды) с участием фермента праймазы. Под действием хеликаз праймеры выстригаются и выстраивается полинуклеотидная цепь ДНК.

Биосинтез РНК

Процесс синтеза РНК с ДНК называется транскрипция .

Расшифровка механизма биосинтеза РНК была осуществлена в 1960 году после открытия Д. Хервицем и С. Вейсом фермента РНК– полимераза.

Общая схема синтеза РНК

Механизм биосинтеза РНК

Процесс транскрипции проходит в 3 стадии:

- Инициация (присоединение РНК-полимеразы и ДНК раскручивается)

- Элонгация (по одной из цепей ДНК по принципу комплементарности выстраивается РНК)

- Терминация (наступает когда заканчивается матрица, НО…

… образовавшаяся РНК подвергается дальнейшему созреванию. Такая РНК несет кодирующие зоны – ЭКЗОНЫ |–| и некодирующие – ИНТРОНЫ |~|

Затем происходит сплайсинг – удаление неинформативных зон

Процессинг

Процессинг включает в себя:

  • “ cap” – пирование – с одного края ДНК происходит присоединение нуклеотида 7-метилгуанозин
  • полиаденилирование – присоединение нескольких АМФ.

ААА

Понятие о генетическом коде

Генетический код – это система зашифровки наследственной информации в молекуле ДНК в виде последовательности размещения нуклеотидов

Наследственная информация в молекуле нуклеиновой кислоты записана четырьмя буквами-нуклеотидами: А Г Т Ц

4 3 = 64 (20 аминокислот)

1961г. – М. Ниренберг показал, что код в триплете:

У У У У У У У У У

фен – фен – фен –

1962г. – С. Очоа расшифровал состав триплетов для остальных 19 аминокислот.

: Свойства генетического кода

1. триплетность

2. непрерывность

3. неперекрываемость

4. выраженность или избыточность

5. специфичность.

6. коллинеарность

7. универсальность.

Нуклеиновая кислота

- определение, функция и примеры

Определение

Нуклеиновая кислота - это цепь нуклеотидов, которая хранит генетическую информацию в биологических системах. Он создает ДНК и РНК, в которых хранится информация, необходимая клеткам для создания белков. Эта информация хранится в нескольких наборах из трех нуклеотидов, известных как кодоны.

Как работают нуклеиновые кислоты

Название происходит от того факта, что эти молекулы являются кислотами, то есть они хорошо передают протоны и принимают электронные пары в химических реакциях, а также того факта, что они были впервые обнаружены в ядрах наших клетки.

Обычно нуклеиновая кислота представляет собой большую молекулу, состоящую из цепочки или «полимера» звеньев, называемых «нуклеотидами». Вся жизнь на Земле использует нуклеиновые кислоты в качестве среды для записи наследственной информации, то есть нуклеиновые кислоты - это жесткие диски, содержащие необходимый план или «исходный код» для создания клеток.

В течение многих лет ученые задавались вопросом, как живые существа «умеют» производить все сложные материалы, необходимые для роста и выживания, и как они передают свои черты своему потомству.

Ученые в конечном итоге нашли ответ в виде ДНК - дезоксирибонуклеиновой кислоты - молекулы, расположенной в ядре клетки, которая передавалась от родительских клеток к «дочерним» клеткам.

Когда ДНК была повреждена или передана неправильно, ученые обнаружили, что клетки не работают должным образом. Повреждение ДНК может привести к неправильному развитию клеток и организмов или их настолько серьезному повреждению, что они просто погибнут.

Более поздние эксперименты показали, что другой тип нуклеиновой кислоты - РНК или рибонуклеиновая кислота - действует как «посланник», который может нести копии инструкций, обнаруженных в ДНК.Рибонуклеиновая кислота также использовалась для передачи инструкций из поколения в поколение некоторыми вирусами.

Функция нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты хранят информацию, как компьютерный код

Безусловно, наиболее важной функцией нуклеиновых кислот для живых существ является их роль как носителей информации.

Поскольку нуклеиновые кислоты могут быть созданы с четырьмя «основаниями», и поскольку «правила спаривания оснований» позволяют «копировать» информацию, используя одну цепь нуклеиновых кислот в качестве матрицы для создания другой, эти молекулы могут содержать и скопируйте информацию.

Чтобы понять этот процесс, может быть полезно сравнить код ДНК с двоичным кодом, используемым компьютерами. Эти два кода очень разные по своей специфике, но принцип один и тот же. Точно так же, как ваш компьютер может создавать целые виртуальные реальности, просто считывая строки из единиц и нулей, клетки могут создавать целые живые организмы, считывая строки из четырех пар оснований ДНК.

Как вы можете себе представить, без двоичного кода у вас не было бы ни компьютера, ни компьютерных программ.Точно так же живым организмам для функционирования нужны неповрежденные копии «исходного кода» ДНК.

Параллели между генетическим кодом и двоичным кодом даже побудили некоторых ученых предложить создание «генетических компьютеров», которые могли бы хранить информацию намного эффективнее, чем кремниевые жесткие диски. Однако по мере того, как наша способность записывать информацию о кремнии улучшилась, исследованиям «генетических компьютеров» уделялось мало внимания.

Защита информации

Поскольку исходный код ДНК так же важен для клетки, как и ваша операционная система для вашего компьютера, ДНК необходимо защитить от потенциальных повреждений.Чтобы передать инструкции ДНК в другие части клетки, копии ее информации делаются с использованием другого типа нуклеиновой кислоты - РНК.

Именно эти РНК-копии генетической информации отправляются из ядра и вокруг клетки для использования клеточными механизмами в качестве инструкций.

Клетки также используют нуклеиновые кислоты для других целей. Рибосомы - клеточные машины, производящие белок, - и некоторые ферменты состоят из РНК.

ДНК использует РНК как своего рода защитный механизм, отделяющий ДНК от хаотической среды цитоплазмы.Внутри ядра ДНК защищена. За пределами ядра движение органелл, везикул и других клеточных компонентов может легко повредить длинные сложные цепи ДНК.

Тот факт, что РНК может действовать и как наследственный материал, и как фермент, подтверждает идею о том, что самая первая жизнь могла быть самовоспроизводящейся, самокатализирующейся молекулой РНК.

Примеры нуклеиновых кислот

Самыми распространенными нуклеиновыми кислотами в природе являются ДНК и РНК. Эти молекулы составляют основу большей части жизни на Земле, и они хранят информацию, необходимую для создания белков, которые, в свою очередь, выполняют функции, необходимые клеткам для выживания и воспроизводства.Однако ДНК и РНК - не единственные нуклеиновые кислоты. Однако были созданы и искусственные нуклеиновые кислоты. Эти молекулы действуют так же, как природные нуклеиновые кислоты, но могут выполнять аналогичную функцию. Фактически, ученые используют эти молекулы для создания основы «искусственной формы жизни», которая могла бы поддерживать искусственную нуклеиновую кислоту и извлекать из нее информацию для создания новых белков и выживания.

Вообще говоря, сами нуклеиновые кислоты различаются в каждом организме в зависимости от последовательности нуклеотидов в нуклеиновой кислоте. Эта последовательность «считывается» клеточным механизмом для соединения аминокислот в правильной последовательности, построения сложных белковых молекул с определенными функциями.

Нуклеиновые кислоты и генетика

Генетический код

Сегодня ученые знают, что исходный код клеток буквально написан нуклеиновыми кислотами. Генная инженерия изменяет черты организмов, добавляя, удаляя или переписывая части их ДНК - и впоследствии изменяя, какие «части» производят клетки.

Достаточно опытный генетический «программист» может создать инструкции для живой клетки с нуля, используя код нуклеиновой кислоты. Ученые сделали именно это в 2010 году, используя искусственный синтезатор ДНК, чтобы «записать» геном с нуля, используя фрагменты исходного кода, взятые из других клеток.

Все живые клетки на Земле «читают» и «записывают» свои исходные коды почти на одном и том же «языке» с помощью нуклеиновых кислот. Наборы из трех нуклеотидов, называемые кодонами, могут кодировать любую данную аминокислоту либо для остановки или начала производства белка.

Другие свойства нуклеиновых кислот могут влиять на экспрессию ДНК более тонкими способами, например, слипаясь и затрудняя доступ ферментов транскрипции к хранящемуся в них коду.

Тот факт, что все живые клетки на Земле «говорят» почти на одном генетическом «языке», поддерживает идею универсального общего предка, то есть идею о том, что вся жизнь на Земле сегодня началась с одной первичной клетки, потомки которой эволюционировали до дают начало всем современным живым видам.

С химической точки зрения, нуклеотиды, которые связаны друг с другом для создания нуклеиновых кислот, состоят из пятиуглеродного сахара, фосфатной группы и азотсодержащего основания. На изображении ниже показаны структурные чертежи четырех азотистых оснований ДНК и четырех РНК, используемых живыми существами на Земле в своих нуклеиновых кислотах.

Он также показывает, как сахарно-фосфатные «скелеты» связываются под углом, который создает спираль - или двойную спираль в случае ДНК - когда несколько нуклеиновых кислот связаны в одну молекулу:

Разница между ДНК и РНК Нуклеиновые кислоты

представляют собой полимеры нуклеотидов.

ДНК и РНК

представляют собой полимеры, состоящие из отдельных нуклеотидов.Термин «полимер» происходит от «поли» для «многих» и «мер» для частей, имея в виду тот факт, что каждая нуклеиновая кислота состоит из множества нуклеотидов.

Поскольку нуклеиновые кислоты могут быть получены естественным путем путем взаимодействия неорганических ингредиентов вместе, и поскольку они, возможно, являются наиболее важным ингредиентом для жизни на Земле, некоторые ученые считают, что - самая первая «жизнь» на Земле, возможно, была самовоспроизводящейся последовательностью аминокислот , который был создан естественными химическими реакциями.

Нуклеиновые кислоты были обнаружены в метеоритах из космоса, что доказывает, что эти сложные молекулы могут образовываться естественными причинами даже в окружающей среде, где нет жизни.

Некоторые ученые даже предположили, что такие метеориты, возможно, помогли создать первую самовоспроизводящуюся нуклеиновую кислоту «жизнь» на Земле. Это кажется возможным, но нет убедительных доказательств того, что это правда.

Структура нуклеиновой кислоты

Поскольку нуклеиновые кислоты могут образовывать огромные полимеры, которые могут принимать разные формы, существует несколько способов обсуждения «структуры нуклеиновой кислоты».Это может означать что-то столь же простое, как последовательность нуклеотидов в фрагменте ДНК, или что-то столь же сложное, как способ складывания молекулы ДНК и то, как она взаимодействует с другими молекулами. Нуклеиновые кислоты образуются в основном из элементов углерода, кислорода, водорода, азота и фосфора.

Дополнительную информацию см. В нашей статье «Структура нуклеиновых кислот».

Мономер нуклеиновых кислот

Нуклеотиды - это отдельные мономеры нуклеиновой кислоты. Эти молекулы довольно сложны и состоят из азотистого основания и сахарно-фосфатного «остова». Существует четыре основных типа нуклеотидов: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T).

Когда наши клетки соединяют нуклеотиды вместе, чтобы сформировать полимеры, называемые нуклеиновыми кислотами, они связываются путем замены молекулы кислорода 3'-сахара основной цепи одного нуклеотида на молекулу кислорода 5'-сахара другого нуклеотида.

Это возможно, потому что химические свойства нуклеотидов позволяют 5'-атомам углерода связываться с множественными фосфатами. Эти фосфаты являются привлекательными партнерами по связыванию для 3'-молекулы кислорода 3'-кислорода другого нуклеотида, так что молекула кислорода сразу же выскакивает, чтобы связываться с фосфатами, и заменяется кислородом 5'-сахара.Затем два нуклеотидных мономера полностью связаны ковалентной связью через эту молекулу кислорода, превращая их в единую молекулу.

Нуклеотиды являются мономерами нуклеиновых кислот, но так же, как нуклеиновые кислоты могут служить не только для передачи информации, но и для других целей, нуклеотиды тоже могут.

Обе молекулы, несущие жизненно важную энергию, АТФ и ГТФ состоят из нуклеотидов - нуклеотидов «А» и «G», как вы могли догадаться.

Помимо переноса энергии, GTP также играет жизненно важную роль в сигнальных путях G-белков.Термин «G-белок» на самом деле происходит от «G» в «GTP» - того же самого G, который содержится в генетическом коде.

G-белки - это особый тип белка, который может вызывать сигнальные каскады с важными и сложными последствиями внутри клетки. Когда GTP фосфорилируется, эти G-белки могут быть включены или выключены.

Викторина

3.6: Нуклеиновые кислоты - Медицина LibreTexts

Учебная цельS

  • Описать общую химическую структуру нуклеиновых кислот, идентифицировать мономеры и полимеры и перечислить функции РНК и ДНК
  • Опишите структуру и функцию АТФ в клетке

Нуклеиновые кислоты содержат те же элементы, что и белки: углерод, водород, кислород, азот; плюс фосфор (C, H, O, N и P). Нуклеиновые кислоты - очень большие макромолекулы, состоящие из повторяющихся единиц одних и тех же строительных блоков, нуклеотидов , похожие на жемчужное ожерелье из множества жемчужин. Мы также можем определить нуклеиновые кислоты как полимеры , собранные из множества более мелких ковалентно связанных мономеров .

Нуклеиновые кислоты - это молекулы, которые функционируют при кодировании, передаче и выражении генетической информации в наших клетках.

Все нуклеотидов состоят из трех субъединиц: одна или несколько фосфатных групп, пентозный сахар (пятиуглеродный сахар, дезоксирибоза или рибоза) и азотсодержащее основание (аденин, цитозин, гуанин, тимин или урацил. ).См. Рисунок \ (\ PageIndex {1} \) ниже.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \) Справа показан короткий фрагмент нуклеиновой кислоты, состоящий из пяти нуклеотидов; один нуклеотид заключен в красный прямоугольник. Каждый нуклеотид состоит из одного из пяти азотистых оснований, пентозного сахара ( рибоза или дезоксирибоза ) и фосфатной группы. Рибонуклеиновая кислота (РНК) содержит рибозу вместо пентозы, тогда как дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) содержит дезоксирибозу.Пять азотистых оснований классифицируются как пиримидины (цитозин, тимин и урацил), которые имеют кольцевую структуру; и пурины (аденин и гуанин), которые имеют структуру двойного кольца. Молекулы РНК могут иметь до нескольких тысяч нуклеотидов и быть одноцепочечными, тогда как молекулы ДНК имеют миллиарды нуклеотидов, организованных в две цепочки нуклеотидов, образующих спираль. ДНК, РНК и белки связаны друг с другом, как показано в таблице \ (\ PageIndex {1} \) ниже.

Таблица \ (\ PageIndex {1} \) ДНК, РНК и белки взаимосвязи
ДНК \ (\ rightarrow \) используется для синтеза РНК \ (\ rightarrow \) , который используется для синтеза Белки
Полимеры нуклеотидов Полимер нуклеотидов Полимер аминокислот
Кодирует аминокислотную последовательность белков Передает и выражает информацию в ДНК Выполняет большинство клеточных функций

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \) ДНК и РНК имеют три общих нуклеотида в своем составе (цитозин, гуанин и аденин), и они различаются урацилом (содержится только в РНК) и тимином (обнаруживается только в ДНК). .РНК одноцепочечная, а ДНК двухцепочечная

Таблица \ (\ PageIndex {2} \) Типы нуклеиновых кислот и их функции
Тип нуклеиновой кислоты Функция
ДНК Кодирует и передает унаследованную генетическую информацию от одного поколения к следующему
РНК Переводит информацию, закодированную в ДНК, для производства белков и помогает в их синтезе

Проверка концепций, терминов и фактов

Вопросы для изучения Напишите свой ответ в форме предложения (не отвечайте нечеткими словами)

1.Что такое нуклеиновая кислота?
2. Из каких элементов состоят нуклеиновые кислоты?
3. Какие мономеры составляют строительные блоки нуклеиновых кислот?
4. Каковы три компонента нуклеотида?
5. Перечислите типы нуклеиновых кислот, описанные в модуле
6. Каковы функции нуклеиновых кислот, перечисленных в модуле?

Нуклеотиды - это мономеры, из которых состоят полимеры нуклеиновых кислот. Аденозинтрифосфат (АТФ) - это нуклеотид, который сам по себе выполняет важную функцию.АТФ - это прямой и быстрый источник энергии для большинства клеточных процессов. АТФ состоит из одного аденозина (азотсодержащего основания аденина и сахарной рибозы), связанного с тремя фосфат-ионами.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \) Две ковалентные связи справа от молекулы (показаны красным) являются связями с высокой энергией. Когда ферментативная реакция разрушает их, выделяется большое количество энергии. Эта энергия готова к использованию клеткой. С другой стороны, когда молекулы (например, те, которые мы включаем в свой рацион) расщепляются ферментами, они выделяют энергию.Эта энергия может временно удерживаться в молекулах АТФ в ковалентных связях, образованных между свободными фосфатными группами и аденозиндифосфатом (АДФ)

.

АТФ часто называют первичной энергетической валютой клетки. АТФ служит промежуточной молекулой между химическими реакциями, высвобождающими энергию, и химическими реакциями, требующими энергии. Он делает это, временно «удерживая» энергию, выделяемую ферментативной реакцией, в ковалентных связях, которые присоединяют фосфаты к АДФ (красные на рисунке выше).Затем молекула АТФ может отдавать эту энергию там, где она необходима.

Химическая формула, описывающая этот процесс, -

.

\ [ATP \ leftrightarrow ADP + P_ {i} \textf {(неорганический фосфат)} \]

Поскольку реакция может идти в любом направлении (от АДФ к АТФ или от АТФ к АДФ), это пример обратимой реакции, и он представлен двойной стрелкой, указывающей в обоих направлениях.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \) Аденозинтрифосфат (АТФ) - это энергетическая молекула в клетке.Энергия, выделяемая в результате реакций разложения, может использоваться для образования ковалентной связи с высокой энергией в АТФ, как показано на рисунке. Затем АТФ может отдать эту энергию для использования в реакциях синтеза.

Проверка концепций, терминов и фактов

Вопросы для изучения Напишите свой ответ в форме предложения (не отвечайте нечеткими словами)

1. Какой тип органической молекулы представляет собой АТФ?
2. Какова функция АТФ?

функций нуклеиновой кислоты | Sciencing

Нуклеиновые кислоты - это молекулы, которые хранят и передают наследственную информацию и энергию в живых организмах.Считается, что они являются первыми биомолекулами, поддерживающими жизнь, как ее обычно определяют.

В 1953 году группа ученых, в которую входили Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик и Розалинд Франклин, точно описала структуру ДНК, или дезоксирибонуклеиновой кислоты. Они знали, что его трехмерная форма напоминает двойную спираль, и, что не менее важно, они понимали, что ДНК содержит генетический код или «план» для всех организмов (за исключением некоторых вирусов, и не все ученые признают, что вирусы на самом деле являются в живых).

Основные характеристики нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты состоят из ряда связанных нуклеотидов. Каждый нуклеотид, в свою очередь, состоит из трех отдельных элементов: пятиуглеродного сахара рибозы, фосфатной группы и азотистого основания. В нуклеиновых кислотах есть пять типов азотистых оснований: аденин (A), цитозин (C), гуанин (G), тимин (T) и урацил (U).

Фосфатные группы служат связями между сахарами в каждой цепи ДНК. Сахара также связаны с азотистым основанием.Эти азотистые основания связываются друг с другом в определенных комбинациях, образуя «ступеньки» лестницы ДНК в ее развернутой форме.

Примеры нуклеиновых кислот

Считается, что в природе существуют только две нуклеиновые кислоты: ДНК и РНК или рибонуклеиновая кислота. Основное различие между ними состоит в том, что, хотя ДНК включает в себя основания A, C, G и T, РНК включает A, C, G и U. A связывается с T в ДНК и только с ним, но связывается только с U в РНК. C связывается только с G.

Кроме того, сахар в ДНК представляет собой дезоксирибозу, а сахар в РНК - рибозу; последний содержит еще один атом кислорода, но в остальном структурно идентичен.РНК, в отличие от ДНК, обычно, но не всегда, существует в одноцепочечной форме.

Функция нуклеиновых кислот

Вообще говоря, ДНК хранит информацию, а РНК передает информацию. Таким образом, вы можете думать о ДНК как о жестком диске компьютера или наборе файлов, а о РНК как о флеш-накопителе или скачкообразном диске.

РНК может служить в качестве посредника для построения белков с использованием информации, закодированной ДНК, мигрируя из ядра, где ДНК «живет», в другие части клетки для выполнения этой задачи.Это и есть мРНК (m означает «мессенджер»). Другой вид РНК, транспортная РНК (тРНК) помогает в процессе сборки белков из аминокислот, а рибосомная РНК (рРНК) составляет большинство органелл, называемых рибосомами, которые также участвуют в синтезе белка.

Многие одноцепочечные молекулы РНК образуют трехмерные структуры, которые включают слабые водородные связи между нуклеотидами. Как и в случае с белками, трехмерная структура молекулы РНК определяет уникальную функцию в клетках, включая деградацию ферментов.

Нуклеиновые кислоты: функция и структура - видео и стенограмма урока

ДНК, выделенная из киви

Структура ДНК и РНК

Структура биологических молекул важна, потому что, как и инструменты в любой торговле, их форма определяет их функцию. Трудно представить химические вещества имеющими «форму», поэтому давайте рассмотрим ее подробнее, чтобы попытаться понять, как возникает трехмерная форма нуклеиновых кислот.

Как и другие большие органические молекулы, нуклеиновые кислоты представляют собой длинные цепи, состоящие из отдельных повторяющихся единиц, называемых мономерами . Конкретное название единиц нуклеиновых кислот - это нуклеотида , каждая из которых содержит три вещи: фосфатную группу, сахар ( дезоксирибоза, в ДНК и рибоза, в РНК) и азотистое основание.

Существуют разные нуклеотиды, названные в соответствии с азотистым основанием, которое они содержат:

  • ДНК состоит из различных последовательностей: Аденин (A) , Гуанин (G) , Цитозин (C) и Тимин (Т) .
  • РНК также содержит A, G и C, но T заменен на Урацил (U)

На рисунке ниже показана упрощенная структура нуклеотида (в данном случае аденина).

Нуклеотиды могут образовывать цепи, потому что фосфат одного из них может присоединяться к сахару другого, находящегося над ним, создавая «сахарофосфатный остов» с азотистыми основаниями, торчащими сбоку. Основное различие между трехмерной структурой ДНК и РНК состоит в том, что ДНК состоит из двух цепочек нуклеотидов, скрученных вместе (образующих спираль или спираль), а РНК состоит только из одной цепи нуклеотидов.Если вы думаете о ДНК как о лестнице, где сахарно-фосфатный остов является сторонами лестницы, а азотистые основания - ступенями, тогда РНК будет лестницей, разрезанной посередине.

ДНК и РНК
Простое представление структуры ДНК

Знаменитая структура ДНК «Двойная спираль» стала возможной благодаря тому, что азотистые основания образуют комплиментарные пары, которые могут связываться друг с другом посредством водородных связей, как кусочки головоломки.Основания "A" соединяются с "T" (через две водородные связи), а основания "C" образуют связи с "G".

Заголовок молекулярной модели ДНК

Вы можете спросить себя: как химические вещества могут складываться вместе, как кусочки пазла? Вспомните, что все молекулы трехмерны, каждая из них имеет форму, и иногда их «укромные уголки» прекрасно сочетаются друг с другом. Химические свойства позволяют им создавать связи, удерживающие их близко друг к другу.

Функция нуклеиновых кислот

Назначение ДНК - действовать как код или рецепт для создания белков. Белки определяют, как устроен организм и как он функционирует, поэтому ДНК часто называют «планом жизни». Например, веснушки, карие глаза или способность вращать языком - все это характеристики, обусловленные белками, которые вырабатывает человеческое тело. У некоторых людей рецепты определенных белков неверны, и это может привести к таким состояниям, как непереносимость лактозы, диабет или муковисцидоз.Белки одинаково важны для всего остального живого мира, они определяют такие вещи, как то, будет ли змея производить смертоносный яд, окраску тропических рыб или устойчивость бактерий к антибиотикам.

ДНК отвечает за сходство между представителями одного и того же вида и за продолжение жизни, поскольку она обеспечивает передачу характеристик будущим поколениям.

РНК помогает клетке «читать» код и «транслировать» его, собирая правильную аминокислоту, строительные блоки белковых последовательностей, чтобы сформировать различные белки.Вот вам простая аналогия с кулинарией: аминокислоты являются «ингредиентами» белка, последовательность оснований ДНК - это «рецепт» того, как соединить эти ингредиенты вместе, а «повар», который читает рецепт, - это РНК. .

ДНК-коды для белков

Краткое содержание урока

Знания, которые 24-летний Мишер получил в результате изучения гноя на грязных больничных повязках, привели к открытию и анализу нуклеиновой кислоты .Нуклеиновая кислота имеет два типа: ДНК и РНК , которые не только помогают нам понять, как определяется, контролируется и передается жизнь, но и открывают двери новым технологиям.

ДНК - структура, свойства, типы, формы, функции

  • ДНК обозначает дезоксирибонуклеиновую кислоту, которая представляет собой молекулу, которая содержит инструкции, необходимые организму для развития, жизни и воспроизводства.
  • Эти инструкции находятся внутри каждой ячейки и передаются от родителей к их детям.
  • Это нуклеиновая кислота и один из четырех основных типов макромолекул, которые, как известно, необходимы для всех форм жизни.
  • ДНК находится в ядре, небольшое количество ДНК также присутствует в митохондриях эукариот.

Структура ДНК Создано с BioRender.com
  • В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли структуру ДНК .
  • Работы Розалинды Франклин привели к открытию Уотсона и Крика.Франклин первым указал, что ДНК состоит из двух спиралей.
  • Структура ДНК представляет собой двойную спиральную структуру, потому что она похожа на скрученную лестницу.
  • Стороны лестницы состоят из чередующихся молекул сахара (дезоксирибозы) и фосфата, в то время как ступени лестницы состоят из пары азотистых оснований.
  • Существует 4 типа азотистых оснований Аденин (A) Тимин (T) Гуанин (G) Цитозин (C) Спаривание ДНК. У азотистых оснований есть определенный образец спаривания.
  • Эта модель спаривания возникает из-за того, что количество аденина равно количеству тимина; количество гуанина равно количеству цитозина. Пары удерживаются вместе водородными связями.

Подробная структура и состав ДНК

Источник изображения: Сложный процент.

  • ДНК представляет собой двухцепочечную спираль. То есть каждая молекула ДНК состоит из двух биополимерных нитей, намотанных друг на друга, образуя двойную спиральную структуру.Эти две цепи ДНК называются полинуклеотидами, поскольку они состоят из более простых мономерных единиц, называемых нуклеотидами.
  • Каждая цепь имеет 5'-конец (с фосфатной группой) и 3'-конец (с гидроксильной группой).
  • Нити антипараллельны, что означает, что одна нить проходит в направлении от 5 'до 3', а другая нить - в направлении от 3 'до 5'.
  • Две нити скреплены водородными связями и дополняют друг друга.
  • В основном ДНК состоит из дезоксирибонуклеотидов.
  • Дезоксирибонуклеотиды связаны между собой 3 '- 5'-фосфодиэфирными связями.
  • Азотистые основания, из которых состоят дезоксирибонуклеотиды, включают аденин, цитозин, тимин и гуанин.
  • Дополнительные нити обусловлены природой азотистых оснований. Базовый аденин всегда взаимодействует с тимином (A-T) на противоположной цепи через две водородные связи, а цитозин всегда взаимодействует с гуанином (C-G) через три водородные связи на противоположной цепи.
  • Форма спирали стабилизируется за счет водородных связей и гидрофобных взаимодействий между основаниями.
  • Диаметр двойной спирали составляет 2 нм, а структура двойной спирали повторяется с интервалом 3,4 нм, что соответствует десяти парам оснований.

Основные и второстепенные бороздки ДНК
  • В результате двойной спиральной природы ДНК молекула имеет две асимметричные бороздки. Одна канавка меньше другой.
  • Эта асимметрия является результатом геометрической конфигурации связей между группами фосфата, сахара и оснований, которая заставляет группы оснований присоединяться под углом 120 градусов вместо 180 градусов.
  • Большая канавка, называемая большой канавкой, возникает, когда позвонки находятся далеко друг от друга; в то время как меньшая называется малой канавкой, возникает, когда они расположены близко друг к другу.
  • Поскольку большая и малая бороздки открывают края оснований, бороздки могут использоваться для определения последовательности оснований конкретной молекулы ДНК.
  • Возможность такого распознавания имеет решающее значение, поскольку белки должны быть способны распознавать определенные последовательности ДНК, с которыми они должны связываться, для того, чтобы выполнялись надлежащие функции организма и клетки.

Свойства ДНК
  • Спирали ДНК могут быть правыми или левыми. Но B-конформация ДНК с правосторонними спиралями наиболее устойчива.
  • При нагревании две цепи ДНК отделяются друг от друга и при охлаждении они снова гибридизуются.
  • Температура, при которой две нити полностью разделяются, известна как температура плавления (Tm). Температура плавления индивидуальна для каждой конкретной последовательности.
  • Образец B ДНК, имеющий более высокую температуру плавления, должен иметь больше содержания C-G, потому что пара C-G имеет 3 водородные связи.
  • Последовательность оснований в молекуле ДНК кодирует последовательность аминокислот в каждом белке во всех организмах.

Типы ДНК

Эукариотические организмы, такие как животные, растения и грибы, хранят большую часть своей ДНК в ядре клетки, а часть своей ДНК - в органеллах, таких как митохондрии.

Исходя из местоположения ДНК может быть:

Ядерная ДНК

  • Находится в ядре эукариотических клеток.
  • Обычно имеет две копии на ячейку.
  • Структура ядерных хромосом ДНК линейна с открытыми концами и включает 46 хромосом, содержащих 3 миллиарда нуклеотидов.
  • Ядерная ДНК диплоидна, обычно наследует ДНК от двух родителей. Частота мутаций ядерной ДНК составляет менее 0,3%.

Митохондриальная ДНК

  • Митохондриальная ДНК находится в митохондриях.
  • Содержит 100–1000 копий на ячейку.
  • Хромосомы митохондриальной ДНК обычно имеют замкнутые кольцевые структуры и содержат, например, 16 569 нуклеотидов у человека.
  • Митохондриальная ДНК гаплоидна, происходит только от матери.
  • Скорость мутации митохондриальной ДНК обычно выше, чем ядерной ДНК.

Формы ДНК

  • Большая часть ДНК находится в классической модели Уотсона-Крика, называемой просто B-ДНК или B-формой ДНК.
  • При определенных условиях обнаруживаются различные формы ДНК, такие как A-ДНК, Z-ДНК, C-ДНК, D-ДНК, E-ДНК.
  • Это отклонение форм основано на их структурном разнообразии.
  1. Б-ДНК

Наиболее распространенный, первоначально полученный на основе дифракции рентгеновских лучей натриевой соли волокон ДНК при относительной влажности 92%.

  1. А-ДНК

Первоначально идентифицировано методом рентгеновской дифракции при анализе волокон ДНК при относительной влажности 75%.

  1. Z-ДНК

Левая структура с двойной спиралью зигзагообразно закручивается влево.

  1. C-ДНК

Образуется при относительной влажности 66% и в присутствии ионов Li + и Mg2 +.

  1. D-ДНК

Редкий вариант с 8 парами оснований на виток спирали, форма в структуре лишена гуанина.

  1. E-ДНК

Удлиненная или эксцентрическая ДНК.

Функции ДНК ДНК

играет решающую роль в качестве генетического материала в большинстве живых организмов. Он передает генетическую информацию от клетки к клетке и от поколения к поколению.

Таким образом, его основные функции включают:

  • Хранение генетической информации
  • Направление синтеза белка
  • Определение генетического кодирования
  • Непосредственно отвечает за метаболическую активность, эволюцию, наследственность и дифференциацию.

Это стабильная молекула, которая хранит более сложную информацию в течение более длительных периодов времени.

Список литературы
  1. http://www.differencebetween.net/science/difference-between-mitochondrial-dna-and-nuclear-dna/
  2. https: // en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Nucleic_Acid/DNA/DNA_structure#Major_and_Minor_Grooves
  3. https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_DNA
  4. https://www.slideshare.net/vinithaunnikrishnan16/forms-of-dna-49312507
  5. Дэвид Хеймс и Найджел Хупер (2005). Биохимия. Третье изд. Группа Тейлор и Фрэнсис: Нью-Йорк.
  6. Бейли, У. Р., Скотт, Э. Г., Файнголд, С. М., и Барон, Э. Дж. (1986). Диагностическая микробиология Бейли и Скотта. Сент-Луис: Мосби.

ДНК - структура, свойства, типы и функции

Определение и примеры нуклеиновой кислоты

Определение

существительное
множественное число: нуклеиновая кислота
ядерная кислота, нуклеиновая кислота.ɪk ˈæsɪd
Любое из группы комплексных соединений, состоящих из линейных цепей мономерных нуклеотидов, при этом каждая мономерная единица состоит из фосфорной кислоты, сахара и азотистого основания и участвует в сохранении, репликации и выражении наследственной информации в каждой живой клетке

Подробности

Обзор

Биомолекула - это любая молекула, производимая живыми организмами. Таким образом, большинство из них являются органическими молекулами. Четыре основные группы биомолекул включают аминокислоты и белки, углеводы (особенно полисахариды), липиды и нуклеиновых кислот .Нуклеиновая кислота относится к любой группе комплексных соединений, состоящих из линейных цепей мономерных нуклеотидов. Каждый нуклеотидный компонент, в свою очередь, состоит из фосфорной кислоты, сахара и азотистого основания. Нуклеиновые кислоты участвуют в сохранении, репликации и выражении наследственной информации. Двумя основными типами нуклеиновых кислот являются дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК).

История и терминология

Открытие нуклеиновых кислот было приписано швейцарскому врачу и биологу Фридриху Мишеру 1844–1895 в 1868 году.Ему удалось выделить биологическую молекулу, которая не была ни белком, ни углеводом, ни липидом, из ядер белых кровяных телец. Он назвал соединение нуклеин в зависимости от того, откуда он его получил. 1 Кислотные свойства соединения были обнаружены немецким химиком Альбрехтом Косселем 1853–1927. Также известно, что он первым идентифицировал азотистые основания: аденин , цитозин , гуанин , тимин и урацил .Позже нуклеин был заменен нуклеиновой кислотой ; термин был введен в употребление в 1889 году немецким патологом Ричардом Альтманном 1852–1900. 2 Нуклеин, открытый Мишером, позже был идентифицирован как ДНК. Модель двойной спирали ДНК была приписана молекулярным биологам Джеймс Уотсон (американец) и Фрэнсис Крик (британец) в 1953 году. Их модель двойной спирали ДНК была основана в основном на изображении дифракции рентгеновских лучей (см. as Photo 51 ) Розалинд Франклин 1920-1958 и Раймонд Гослинг в 1952 году.

Структура

Нуклеиновая кислота - это биополимер, состоящий из мономерных единиц нуклеотидов. Каждый нуклеотид, составляющий нуклеиновую кислоту, состоит из фосфорной кислоты, сахара (5 атомов углерода) и азотистого основания. Цепи нуклеотидов в нуклеиновой кислоте связаны 3 ', 5' фосфодиэфирными связями. Это означает, что 5'-фосфорная группа одного нуклеотида этерифицируется 3'-гидроксилом соседнего нуклеотида.

Типы

Два основных типа нуклеиновых кислот - это ДНК и РНК. ДНК - это двухцепочечная нуклеиновая кислота, содержащая генетическую информацию живого существа. Это важно для роста клеток, деления и функционирования организма. РНК представляет собой одноцепочечную нуклеиновую кислоту, за исключением некоторых вирусных РНК и миРНК, которые являются двухцепочечными.

ДНК РНК
Структура ДНК состоит из двух цепей, которые скручиваются вместе, образуя спираль, образующую лестничную структуру.Каждая нить состоит из чередующихся фосфатов (PO4) и пентозного сахара (2-дезоксирибозы), а к сахару присоединено азотистое основание, которым может быть аденин, тимин, гуанин или цитозин. В ДНК аденин соединяется с тимином, а гуанин - с цитозином. Не все ДНК двухцепочечные. Например, группа вирусов имеет геном одноцепочечной ДНК. РНК состоит из длинной линейной цепи нуклеотидов. Каждая нуклеотидная единица состоит из сахара, фосфатной группы и азотистого основания.Он отличается от ДНК тем, что содержит рибозу в качестве сахара (дезоксирибоза в ДНК), а его основаниями являются аденин, гуанин, цитозин и урацил. В РНК аденин соединяется с урацилом, а гуанин - с цитозином. РНК одноцепочечные, за исключением некоторых вирусов, геном которых состоит из двухцепочечной РНК.
Расположение У эукариот большая часть ДНК расположена в ядрышках и хромосомах в ядре. Небольшая часть общей ДНК присутствует в митохондриях, хлоропластах и ​​цитоплазме.У прокариот и вирусов ДНК находится в цитоплазме. У эукариот РНК находится в ядре и цитоплазме. У прокариот и вирусов он находится в цитоплазме.
Функция ДНК представляет собой длинный полимер нуклеотидов, кодирующих последовательность аминокислот во время синтеза белка. ДНК несет в себе генетический «план», поскольку она содержит инструкции или информацию (называемые генами), необходимые для создания клеточных компонентов, таких как белки и РНК. В некоторых вирусах РНК является генетическим материалом. Для большинства организмов РНК участвуют в синтезе белка , (например, мРНК, тРНК, рРНК и т. Д.), Посттранскрипционной модификации или репликации ДНК (например, мяРНК, мяРНК и т. Д.) И регуляции гена . (например, miRNA, siRNA, tasiRNA и т. Д.).

Общие биологические реакции

Общие биологические реакции

Репликация ДНК - это процесс, при котором исходные (родительские) цепи ДНК в двойной спирали разделяются, и каждая из них копируется с образованием новой (дочерней) цепи.Этот процесс называется полуконсервативным, поскольку одна из родительских цепей является консервативной и остается нетронутой после репликации. Несколько ферментов, например ДНК-полимеразы участвуют в репликации ДНК. Одна из родительских цепей молекулы ДНК реплицируется путем спаривания оснований, так что вновь синтезированная цепь будет на комплементарна исходной или родительской цепи. То есть пуриновое азотистое основание (то есть аденин и гуанин) связано с пиримидиновым нуклеотидным основанием (т.е.е. цитозин и тимин). В частности, аденин будет сочетаться с тимином, а гуанин - с цитозином. Репликация ДНК необходима при делении клеток. На ранних стадиях митоза (профаза) и мейоза (профаза I) ДНК реплицируется для подготовки к поздним стадиям, когда клетка делится, давая начало двум клеткам, содержащим идентичные копии ДНК. После репликации копии молекулы ДНК проверяются механизмами корректуры. Репликация ДНК может быть выполнена искусственно с помощью лабораторной техники, называемой полимеразной цепной реакцией, которая может амплифицировать целевой фрагмент ДНК из генома.

Общие биологические реакции

ДНК несет генетическую информацию, которая кодирует определенный белок. Таким образом, во время трансляции белка генетический код белка сначала копируется в РНК (в частности, мРНК). Этот процесс создания копии ДНК в мРНК с помощью фермента РНК-полимеразы называется транскрипцией . Хотя РНК-полимераза пересекает цепь ДНК-матрицы от 3 '→ 5', кодирующая (не матричная) цепь обычно используется в качестве контрольной точки.Следовательно, процесс идет в направлении 5 '→ 3', как при репликации ДНК. Однако, в отличие от репликации ДНК, транскрипция не требует праймера для запуска и использует спаривание оснований для создания копии РНК, содержащей урацил вместо тимина.
У прокариот транскрипция происходит в цитоплазме, тогда как у эукариот она происходит в основном в ядре до того, как мРНК транспортируется в цитоплазму для трансляции или для синтеза белка.

Общие биологические реакции

При разложении нуклеиновых кислот образуются пурины, пиримидины, фосфорная кислота и пентоза, либо D-рибоза, либо D-дезоксирибоза.

Биологическое значение

Нуклеиновые кислоты содержат генетическую информацию, важную для всех клеточных функций и наследственности. Мутация в генетическом коде может привести к нарушениям обмена веществ и болезням. Многие из таких нарушений связаны с предположительно функциональным белком, который, по-видимому, недостаточно продуцируется или стал дисфункциональным из-за мутации в кодирующем его гене (ах). Многие нарушения обмена веществ и болезни передаются по наследству, поскольку гены передаются из поколения в поколение.С другой стороны, с эволюционной точки зрения мутации тоже необходимы. Они увеличивают изменчивость живых существ, позволяя им лучше адаптироваться к аналогичным изменениям окружающей среды.

Дополнительные

Производные термины

Дополнительная литература

См. Также

Ссылка

  1. «нуклеиновая кислота». (2014). Получено с: //www.nature.com/scitable/definition/nucleic-acid-274 Ссылка
  2. Gribbin, J. (2002). Ученые: история науки, рассказанная жизнями величайших изобретателей .Нью-Йорк: Рэндом Хаус. п. 546. ISBN 0812967887.

© Biology Online. Контент предоставлен и модерируется Biology Online Editors


Нуклеиновые кислоты: структура, свойства и функции

Сводка

Nucleic Acids представляет собой современный и всесторонний отчет о структурах и физико-химических свойствах нуклеиновых кислот с особым акцентом на биологической функции. Книга предназначена для 1) молекулярных биологов, 2) физических биохимиков и 3) физико-химиков, поэтому она была тщательно организована для трех разных аудиторий, требуя только вводного курса физической химии и молекулярной биологии в качестве предварительных условий.Нуклеиновые кислоты будет служить учебником по классам физической биохимии и биофизической химии, а также дополнительным текстом к курсам по биохимии нуклеиновых кислот или молекулярной биологии, а также личным справочником для студентов и исследователей в этих областях.

Основные характеристики

  • Организовано в соответствии с систематическим учетом методов, используемых при изучении структуры и свойств нуклеиновых кислот.
  • Ключевые темы, такие как комплексы белок-ДНК и белок-лекарство, конформационные переходы, характеристика нуклеиновых кислот с помощью методов геля и раствора, а также поведение сверхспиральной ДНК, подробно описаны в настоящих мини-монографиях.
  • Сильно иллюстрирован диаграммами, графиками и молекулярными структурами, включая почти 2 дюжины цветных фигур.
  • Включает многочисленные рисунки, таблицы и обширную библиографию для облегчения использования в качестве справочного тома.

Содержание

1. Введение

2. Основания, нуклеозиды и нуклеотиды

3. Химические и ферментативные методы

4. Структуры нуклеиновых кислот по данным дифракционных методов

5.Структура и динамика по ЯМР

6. Электронная и колебательная спектроскопия

7. Теоретические методы

8. Соответствующие изменения

9. Размер и форма нуклеиновых кислот в растворе

10. Суперспиральная ДНК

11. Взаимодействие нуклеиновых кислот с водой и ионами

12. Взаимодействие и реакция с лекарствами

13. Взаимодействия белок-нуклеиновая кислота

14. Структура высшего порядка

Индекс

Отзывы

«Мне было приятно ознакомиться с этой книгой, которая является подходящим учебником для аспирантов по физической биохимии.Он предоставляет обновленную информацию для широко используемого текста Кантора и Шиммеля ... Я бы рекомендовал этот текст для аспирантов по физической биохимии ».
- Журнал Американского химического общества (2000, 122 (46), стр. 11570)

«В целом, это отличная книга, которую следует использовать в курсах биофизической химии и физической биохимии для выпускников, а также в качестве справочника для физиков, биохимиков и молекулярных биологов».
-Журнал медицинской химии (2000, Vol.43, № 24, стр. 4721)

«Эта работа эффективно закрывает пробел в научной литературе, где давно пора было составить всеобъемлющую обновленную книгу. Написанная тремя признанными во всем мире экспертами в этой области, книга представляет собой современную энциклопедию нуклеиновых кислот с акцентом на последствиях для биологических функций ».
-Drug Discovery Today

.

Author: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *