Будова ДНК і РНК – властивості та функції

Будова ДНК і РНК властивості та функції

Нуклеїнові кислоти, і зокрема ДНК, є ключовими макромолекулами, які підтримують життя. ДНК несе спадкову інформацію, яка передається від батьків до дітей, надаючи інструкції про те, як (і коли) виробляти різні білки, необхідні для побудови і підтримки функціонування клітин, тканин і організму в цілому.

Як ДНК зберігає цю інформацію і як її використовують клітини і організми – це складний, дивовижний і приголомшливий процес. Тут ми лише коротко розглянемо нуклеїнові кислоти на макромолекулярному рівні.

Роль ДНК і РНК в клітині

Нуклеїнові кислоти – макромолекули, що складаються з одиниць, які називаються нуклеотидами, бувають двох видів: дезоксирибонуклеїнові кислоти ( ДНК ) і рибонуклеїнова кислота ( РНК ).

 ДНК – це генетичний матеріал, що знаходиться в живих організмах, від одноклітинних бактерій до багатоклітинних ссавців, таких як ви і я. Деякі віруси використовують РНК, а не ДНК, як свій генетичний матеріал, але по факту вони не вважаються живими (оскільки не можуть розмножуватися без допомоги господаря).

ДНК в клітині

У еукаріот, наприклад, у рослин і тварин, ДНК знаходиться в ядрі , спеціалізованому мембранном сховищі в клітці, а також в деяких інших типах органел (таких як мітохондрії і хлоропласти у рослин). У прокаріотів, таких як бактерії, ДНК не укладена в окрему мембранну оболонку, хоча вона розташована в спеціалізованій клітинній області, званої нуклеоїдом .

У еукаріот ДНК зазвичай розділена на ряд дуже довгих лінійних фрагментів, званих хромосомами , тоді як у прокаріотів, в тому числі у бактерій, хромосоми набагато менші і часто круглі (у формі кільця). Хромосома може містити десятки тисяч генів , кожен з яких містить інструкції про те, як зробити конкретний продукт, необхідний клітці.

Від ДНК до РНК і білків

Багато генів кодують білки, це означає, що вони визначають послідовність амінокислот, які використовуються для створення певного білка. Однак перш ніж цю інформацію можна буде використовувати для синтезу білка, необхідно спочатку перевести інформацію в РНК – цей етап називається транскрипцією. А цей тип РНК називається матричною РНК ( мРНК ), або інформаційною РНК, оскільки вона переносить інформацію від ДНК до рибосом – молекулярних механізмів, які зчитують послідовність мРНК і використовують її для створення білків. Цей перехід від ДНК до РНК до білка називається « центральною допомогою » молекулярної біології.

Однак важливо розуміти, що не всі гени кодують білки. Наприклад, деякі гени беруть участь в синтезі Хвороби ( рРНК ), які є структурними компонентами рибосом, або беру участь в синтезі транспортних РНК ( тРНК ), молекули РНК в формі конюшини, які переносять амінокислоти на рибосому для синтезу білка. Інші молекули РНК, такі як крихітні мікроРНК ( міРНК ), працюють як регулятори інших генів. Весь час виявляються нові типи не кодують білок РНК.

Нуклеотиди

ДНК і РНК є полімерами (в разі ДНК, часто дуже довгими полімерами) і складаються з мономерів, відомих як нуклеотиди . Коли ці мономери об’єднуються, отримана ланцюг називається полінуклеотидом ( poly- = “багато”).

Кожен нуклеотид складається з трьох частин: Азотомісткі кільцевої структури, званої азотистих основ, пятиуглеродного цукру і, щонайменше, однієї фосфатної групи. Молекула цукру має центральне положення в нуклеотиде, причому підставу приєднано до одного з його атомів вуглецю, а фосфатна група (або групи) приєднана до іншого. Давайте розглянемо кожну частину нуклеотиду більш детально.

Будова ДНК

Азотисті основи

Азотисті основи нуклеотидів є органічними (на основі вуглецю) молекулами, що складаються з азотовмісних кільцевих структур.

Кожен нуклеотид в ДНК містить одне з чотирьох можливих азотистих основ: аденін (A), гуанін (G), цитозин (C) і тимін (T). Аденін і гуанін є пуринами , що означає, що їх структури містять два з’єднаних вуглець-азотних кільця. Цитозин і тимін, навпаки, є піримідину і мають одне вуглецево-азотне кільце. Нуклеотиди РНК можуть також нести адениновую, гуанінових і цитозинових підстави, однак замість тиміну у них є інше пиримидиновое підставу, зване урацил (U). Як показано на малюнку вище, кожна підстава має унікальну структуру з власним набором функціональних груп, прикріплених до кільцевої структурі.

У скороченнях, що використовуються в молекулярній біології, азотисті основи часто просто записуються однобуквеним символами, A, T, G, C і U. ДНК містить A, T, G і C, в той час як РНК містить A, U, G і C ( тобто U замінюється на T).

Сахара

На додаток до трохи відрізняється наборам підстав, нуклеотиди ДНК і РНК також мають трохи розрізняються молекули цукру. П’ятивуглецевий цукор в ДНК називається дезоксирибоза , а в РНК – рибоза . Обидва вони дуже схожі за структурою, тільки з однією відмінністю: другий вуглець рибози має гідроксильну групу, тоді як еквівалентний вуглець дезоксирибози має водень. Атоми вуглецю молекули цукру пронумеровані як 1 ‘, 2’, 3 ‘, 4’ й 5 ‘(1’ читається як «один шртіх»), як показано на малюнку вище. У нуклеотиде цукор займає центральне положення, при цьому підстава приєднано до його 1 ‘вуглецю, а фосфатна група (або групи) приєднана до його 5’ вуглецю.

Фосфат

Нуклеотиди можуть мати одну фосфатну групу або ланцюжок з трьох фосфатних груп, приєднаних до 5′-атому вуглецю цукру. У деяких хімічних джерелах термін «нуклеотид» застосовується тільки для з’єднань з одним фосфатом, але в молекулярної біології він зазвичай розглядається в більш широкому розумінні^ 11

У клітці нуклеотид, який повинен бути доданий до кінця полінуклеотидних ланцюга, буде нести серію з трьох фосфатних груп. Коли нуклеотид приєднується до ланцюга ДНК або РНК, він втрачає дві фосфатні групи. Тому, в ланцюжку ДНК або РНК кожен нуклеотид має тільки одну фосфатну групу.

Полінуклеотидний ланцюг

Послідовність нуклеотидів в полінуклеотидних ланцюга має спрямованість , це означає що різні її кінці відрізняються один від одного. На 5′-кінці , на початку ланцюжка, розташована 5′-фосфатна група першого нуклеотиду. На 3′-кінці , знаходиться 3′-гідроксильна група останнього нуклеотиду. Послідовність нуклеотидів в ДНК зазвичай записана в напрямку від 5 ‘до 3′ кінця, що означає, першим йде нуклеотид на 5′-кінці, а останнім – нуклеотид на 3’-кінці.

Нуклеотиди додаються до ланцюга ДНК або РНК з боку 3′-кінця, причому 5′-фосфат нового нуклеотиду приєднується до гідроксильної групі на 3′-кінці ланцюга. В результаті виходить ланцюжок, в якій кожен цукор з’єднаний за допомогою так званих фосфодіефірних зв’язків .

Будова і властивості ДНК

Ланцюги дезоксирибонуклеїнової кислоти, або ДНК, зазвичай знаходяться в формі подвійної спіралі , це структура, в якій дві збігаються (комплементарні) ланцюжка з’єднані, як показано на діаграмі зліва. Сахара і фосфати знаходяться на зовнішній стороні спіралі, утворюючи основу ДНК; ця частина молекули іноді називається цукрово-фосфатного основою . Азотисті основи простягаються всередину, як сходинки сходів, попарно; пари підстав пов’язані один з одним водневими зв’язками.

Будова і властивості ДНК

Дві нитки спіралі спрямовані в протилежні сторони, тобто 5′-кінець однієї нитки відповідає 3′-кінця другого. (Це називається антипараллельной орієнтацією і важливо для копіювання ДНК.)

Отже, чи можуть будь-які підстави вирішити з’єднатися й утворити пару в подвійної спіралі? Звичайно ж ні. Через розмірів і функціональних груп підстав вони утворюють строго певні пари: A може з’єднуватися тільки з T, а G може з’єднуватися тільки з C, як показано нижче. Це означає, що дві нитки подвійної спіралі ДНК пов’язані один з одним дуже передбачуваним чином.

Наприклад, якщо ви знаєте, що в одного ланцюга зустрічається послідовність 5′-AATTGGCC-3 ‘, то в другій ланцюга в цьому ж місці повинна бути послідовність 3′-TTAACCGG-5’. Завдяки цьому кожна підстава в спіралі відповідає парному йому підстави:

Будова ДНК

Коли дві послідовності ДНК співпадають таким чином, що вони можуть антипараллельно з’єднуватися і утворювати подвійну спіраль, кажуть, що вони комплементарні .

Будова і властивості ДНК

Будова і властивості РНК

Рибонуклеїнова кислота (РНК), на відміну від ДНК, зазвичай одноцепочечная. Нуклеотиди в ланцюзі РНК складаються з рибози (п’ятивуглецевий цукор), одного з чотирьох азотистих основ (A, U, G або C) і фосфатної групи. Тут ми розглянемо чотири основні типи РНК: матричну РНК (мРНК), рибосомну РНК (рРНК), транспортну РНК (тРНК) і регуляторну РНК.

Матрична РНК (мРНК)

Матрична РНК ( мРНК ) є проміжною ланкою між геном, що кодує білок, і його білковим продуктом. Якщо клітці необхідно виробляти певний білок, то ген, що кодує цей білок “включається”, тобто фермент РНК-полімераза підходить до цього гену і робить його РНК-копію або транскрипт послідовності ДНК гена. РНК – транскрипт гена несе ту ж інформацію, що і його послідовність ДНК. Однак в молекулі РНК підставу T замінено на U. Наприклад, якщо кодує ланцюг ДНК має послідовність 5′-AATTGCGC-3 ‘, то послідовність відповідної РНК буде 5′-AAUUGCGC-3’.

Як тільки мРНК синтезована, вона зв’язується з рибосомою, молекулярним механізмом, який займається «складанням» білків з амінокислот. Рибосома використовує інформацію з мРНК для синтезу білка з певною послідовністю амінокислот, «зчитуючи» нуклеотиди мРНК кодонами – групами по три нуклеотиду, а потім додаючи відповідну кожному кодону амінокислоту.

Будова і властивості РНК

Рибосомна РНК (рРНК) і транспортна РНК (тРНК)

Рибосомальна РНК ( рРНК ) – важливий компонент рибосом, вона пов’язує мРНК в положенні, яке необхідно для зчитування послідовності нуклеотидів. Деякі рРНК поводяться як ферменти, допомагаючи прискорювати (каталізує) хімічні реакції, в даному випадку – реакцію утворення пептидного зв’язку між амінокислотою і синтезованим білком. РНК, які ведуть себе як ферменти, називаються рибозими .

Транспортні РНК ( тРНК ) також беруть участь в синтезі білків, але виконують роль переносника: доставляють амінокислоти в рибосому, перевіряючи, щоб додаються в ланцюг амінокислоти відповідали зазначеної в мРНК послідовності. Транспортні РНК складаються з одного ланцюга РНК, але в цьому ланцюзі зустрічаються комплементарні фрагменти, які з’єднуються один з одним, утворюючи дволанцюжкові області. В результаті такого спарювання підстав виходить складна тривимірна структура, важлива для роботи молекули.

Будова РНК

Регуляторна РНК (мікроРНК і міРНК)

Деякі види некодуючих РНК (тобто тих, які не кодують білки) допомагають регулювати транскріпуію інших генів. Такі РНК можна назвати регуляторними. Наприклад, мікроРНК ( miRNA ) і малі интерферирующие РНК ( siRNA ) – це невеликі регуляторні молекули РНК, довжина яких – близько 22 нуклеотидів. Вони зв’язуються з відповідними молекулами мРНК (частково або повністю комплементарними послідовностями) і знижують їх стабільність або втручаються в їх трансляцію, таким чином точно регулюючи їх кількість.

Це лише деякі приклади з безлічі видів некодуючих і регуляторних РНК. Вчені до цих пір відкривають все нові їх різновиди.

Підсумки: особливості ДНК і РНК


ДНК

РНК

функції

Сховище генетичної інформації

Бере участь в синтезі білків і регуляції генів; 
носій генетичної інформації в деяких вірусах

Сахара

дезоксирибоза

рибоза

структура

подвійна спіраль

зазвичай одноцепочечная

азотисті основи

C, T, A, G

C, U, A, G
Сподобалася стаття? Поділитися з друзями:
Знай все! Портал для школярів
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: