К нуклеиновым кислотам относят высокополимерные соединения, распадающиеся при гидролизе на пуриновые и пиримидиновые основания, пентозу и фосфорную кислоту. Нуклеиновые кислоты содержат углерод, водород, фосфор, кислород и азот. Различают два класса нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) .
ДНК — полимер, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды. Модель пространственного строения молекулы ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком (для построения этой модели они использовали работы М. Уилкинса, Р. Франклин, Э. Чаргаффа).
Молекула ДНК образована двумя полинуклеотидными цепями, спирально закрученными друг около друга и вместе вокруг воображаемой оси, т.е. представляет собой двойную спираль (исключение — некоторые ДНК-содержащие вирусы имеют одноцепочечную ДНК). Диаметр двойной спирали ДНК — 2 нм, расстояние между соседними нуклеотидами — 0,34 нм, на один оборот спирали приходится 10 пар нуклеотидов. Длина молекулы может достигать нескольких сантиметров. Молекулярный вес — десятки и сотни миллионов. Суммарная длина ДНК ядра клетки человека — около 2 м. В эукариотических клетках ДНК образует комплексы с белками и имеет специфическую пространственную конформацию.
Мономер ДНК — нуклеотид (дезоксирибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания нуклеиновых кислот относятся к классам пиримидинов и пуринов. Пиримидиновые основания ДНК (имеют в составе своей молекулы одно кольцо) — тимин, цитозин. Пуриновые основания (имеют два кольца) — аденин и гуанин.
Моносахарид нуклеотида ДНК представлен дезоксирибозой.
Название нуклеотида является производным от названия соответствующего основания. Нуклеотиды и азотистые основания обозначаются заглавными буквами.
Полинуклеотидная цепь образуется в результате реакций конденсации нуклеотидов. При этом между 3"-углеродом остатка дезоксирибозы одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает фосфоэфирная связь (относится к категории прочных ковалентных связей). Один конец полинуклеотидной цепи заканчивается 5"-углеродом (его называют 5"-концом), другой — 3"-углеродом (3"-концом).
Против одной цепи нуклеотидов располагается вторая цепь. Расположение нуклеотидов в этих двух цепях не случайное, а строго определенное: против аденина одной цепи в другой цепи всегда располагается тимин, а против гуанина — всегда цитозин, между аденином и тимином возникают две водородные связи, между гуанином и цитозином — три водородные связи. Закономерность, согласно которой нуклеотиды разных цепей ДНК строго упорядоченно располагаются (аденин — тимин, гуанин — цитозин) и избирательно соединяются друг с другом, называется принципом комплементарности . Следует отметить, что Дж. Уотсон и Ф. Крик пришли к пониманию принципа комплементарности после ознакомления с работами Э. Чаргаффа. Э. Чаргафф, изучив огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, установил, что в любом фрагменте ДНК содержание остатков гуанина всегда точно соответствует содержанию цитозина, а аденина — тимину («правило Чаргаффа» ), но объяснить этот факт он не смог.
Из принципа комплементарности следует, что последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой.
Цепи ДНК антипараллельны (разнонаправлены), т.е. нуклеотиды разных цепей располагаются в противоположных направлениях, и, следовательно, напротив 3"-конца одной цепи находится 5"-конец другой. Молекулу ДНК иногда сравнивают с винтовой лестницей. «Перила» этой лестницы — сахарофосфатный остов (чередующиеся остатки дезоксирибозы и фосфорной кислоты); «ступени» — комплементарные азотистые основания.
Функция ДНК — хранение и передача наследственной информации.
— процесс самоудвоения, главное свойство молекулы ДНК. Репликация относится к категории реакций матричного синтеза, идет с участием ферментов. Под действием ферментов молекула ДНК раскручивается, и около каждой цепи, выступающей в роли матрицы, по принципам комплементарности и антипараллельности достраивается новая цепь. Таким образом, в каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая — вновь синтезированной. Такой способ синтеза называется полуконсервативным .
«Строительным материалом» и источником энергии для репликации являются дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ), содержащие три остатка фосфорной кислоты. При включении дезоксирибонуклеозидтрифосфатов в полинуклеотидную цепь два концевых остатка фосфорной кислоты отщепляются, и освободившаяся энергия используется на образование фосфодиэфирной связи между нуклеотидами.
В репликации участвуют следующие ферменты:
С помощью геликаз в определенных участках ДНК расплетается, одноцепочечные участки ДНК связываются дестабилизирующими белками, образуется репликационная вилка . При расхождении 10 пар нуклеотидов (один виток спирали) молекула ДНК должна совершить полный оборот вокруг своей оси. Чтобы предотвратить это вращение ДНК-топоизомераза разрезает одну цепь ДНК, что дает ей возможность вращаться вокруг второй цепи.
ДНК-полимераза может присоединять нуклеотид только к 3"-углероду дезоксирибозы предыдущего нуклеотида, поэтому данный фермент способен передвигаться по матричной ДНК только в одном направлении: от 3"-конца к 5"-концу этой матричной ДНК. Так как в материнской ДНК цепи антипараллельны, то на ее разных цепях сборка дочерних полинуклеотидных цепей происходит по-разному и в противоположных направлениях. На цепи 3"-5" синтез дочерней полинуклеотидной цепи идет без перерывов; эта дочерняя цепь будет называться лидирующей . На цепи 5"-3" — прерывисто, фрагментами (фрагменты Оказаки ), которые после завершения репликации ДНК-лигазами сшиваются в одну цепь; эта дочерняя цепь будет называться запаздывающей (отстающей ).
Особенностью ДНК-полимеразы является то, что она может начинать свою работу только с «затравки» (праймера ). Роль «затравок» выполняют короткие последовательности РНК, образуемые при участи фермента РНК-праймазы и спаренные с матричной ДНК. РНК-затравки после окончания сборки полинуклеотидных цепочек удаляются.
Репликация протекает сходно у прокариот и эукариот. Скорость синтеза ДНК у прокариот на порядок выше (1000 нуклеотидов в секунду), чем у эукариот (100 нуклеотидов в секунду). Репликация начинается одновременно в нескольких участках молекулы ДНК. Фрагмент ДНК от одной точки начала репликации до другой образует единицу репликации — репликон .
Репликация происходит перед делением клетки. Благодаря этой способности ДНК осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним.
Репарацией называется процесс устранения повреждений нуклеотидной последовательности ДНК. Осуществляется особыми ферментными системами клетки (ферменты репарации ). В процессе восстановления структуры ДНК можно выделить следующие этапы: 1) ДНК-репарирующие нуклеазы распознают и удаляют поврежденный участок, в результате чего в цепи ДНК образуется брешь; 2) ДНК-полимераза заполняет эту брешь, копируя информацию со второй («хорошей») цепи; 3) ДНК-лигаза «сшивает» нуклеотиды, завершая репарацию.
Наиболее изучены три механизма репарации: 1) фоторепарация, 2) эксцизная, или дорепликативная, репарация, 3) пострепликативная репарация.
Изменения структуры ДНК происходят в клетке постоянно под действием реакционно-способных метаболитов, ультрафиолетового излучения, тяжелых металлов и их солей и др. Поэтому дефекты систем репарации повышают скорость мутационных процессов, являются причиной наследственных заболеваний (пигментная ксеродерма, прогерия и др.).
— полимер, мономерами которой являются рибонуклеотиды . В отличие от ДНК, РНК образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой (исключение — некоторые РНК-содержащие вирусы имеют двухцепочечную РНК). Нуклеотиды РНК способны образовывать водородные связи между собой. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК.
Мономер РНК — нуклеотид (рибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания РНК также относятся к классам пиримидинов и пуринов.
Пиримидиновые основания РНК — урацил, цитозин, пуриновые основания — аденин и гуанин. Моносахарид нуклеотида РНК представлен рибозой.
Выделяют три вида РНК : 1) информационная (матричная) РНК — иРНК (мРНК), 2) транспортная РНК — тРНК, 3) рибосомная РНК — рРНК.
Все виды РНК представляют собой неразветвленные полинуклеотиды, имеют специфическую пространственную конформацию и принимают участие в процессах синтеза белка. Информация о строении всех видов РНК хранится в ДНК. Процесс синтеза РНК на матрице ДНК называется транскрипцией.
Транспортные РНК содержат обычно 76 (от 75 до 95) нуклеотидов; молекулярная масса — 25 000-30 000. На долю тРНК приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке. Функции тРНК: 1) транспорт аминокислот к месту синтеза белка, к рибосомам, 2) трансляционный посредник. В клетке встречается около 40 видов тРНК, каждый из них имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов. Однако у всех тРНК имеется несколько внутримолекулярных комплементарных участков, из-за которых тРНК приобретают конформацию, напоминающую по форме лист клевера. У любой тРНК есть петля для контакта с рибосомой (1), антикодоновая петля (2), петля для контакта с ферментом (3), акцепторный стебель (4), антикодон (5). Аминокислота присоединяется к 3"-концу акцепторного стебля. Антикодон — три нуклеотида, «опознающие» кодон иРНК. Следует подчеркнуть, что конкретная тРНК может транспортировать строго определенную аминокислоту, соответствующую ее антикодону. Специфичность соединения аминокислоты и тРНК достигается благодаря свойствам фермента аминоацил-тРНК-синтетаза.
Рибосомные РНК содержат 3000-5000 нуклеотидов; молекулярная масса — 1 000 000-1 500 000. На долю рРНК приходится 80-85% от общего содержания РНК в клетке. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы — органоиды, осуществляющие синтез белка. В эукариотических клетках синтез рРНК происходит в ядрышках. Функции рРНК : 1) необходимый структурный компонент рибосом и, таким образом, обеспечение функционирования рибосом; 2) обеспечение взаимодействия рибосомы и тРНК; 3) первоначальное связывание рибосомы и кодона-инициатора иРНК и определение рамки считывания, 4) формирование активного центра рибосомы.
Информационные РНК разнообразны по содержанию нуклеотидов и молекулярной массе (от 50 000 до 4 000 000). На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке. Функции иРНК : 1) перенос генетической информации от ДНК к рибосомам, 2) матрица для синтеза молекулы белка, 3) определение аминокислотной последовательности первичной структуры белковой молекулы.
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — универсальный источник и основной аккумулятор энергии в живых клетках. АТФ содержится во всех клетках растений и животных. Количество АТФ в среднем составляет 0,04% (от сырой массы клетки), наибольшее количество АТФ (0,2-0,5%) содержится в скелетных мышцах.
АТФ состоит из остатков: 1) азотистого основания (аденина), 2) моносахарида (рибозы), 3) трех фосфорных кислот. Поскольку АТФ содержит не один, а три остатка фосфорной кислоты, она относится к рибонуклеозидтрифосфатам.
Для большинства видов работ, происходящих в клетках, используется энергия гидролиза АТФ. При этом при отщеплении концевого остатка фосфорной кислоты АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту), при отщеплении второго остатка фосфорной кислоты — в АМФ (аденозинмонофосфорную кислоту). Выход свободной энергии при отщеплении как концевого, так и второго остатков фосфорной кислоты составляет по 30,6 кДж. Отщепление третьей фосфатной группы сопровождается выделением только 13,8 кДж. Связи между концевым и вторым, вторым и первым остатками фосфорной кислоты называются макроэргическими (высокоэнергетическими).
Запасы АТФ постоянно пополняются. В клетках всех организмов синтез АТФ происходит в процессе фосфорилирования, т.е. присоединения фосфорной кислоты к АДФ. Фосфорилирование происходит с разной интенсивностью при дыхании (митохондрии), гликолизе (цитоплазма), фотосинтезе (хлоропласты).
АТФ является основным связующим звеном между процессами, сопровождающимися выделением и накоплением энергии, и процессами, протекающими с затратами энергии. Кроме этого, АТФ наряду с другими рибонуклеозидтрифосфатами (ГТФ, ЦТФ, УТФ) является субстратом для синтеза РНК.
Перейти к лекции №3 «Строение и функции белков. Ферменты»
Перейти к лекции №5 «Клеточная теория. Типы клеточной организации»
Относится к нуклеиновым кислотам. Молекулы-полимеры РНК намного меньше, чем у ДНК. Однако в зависимости от типа РНК количество входящих в них нуклеотидов-мономеров различается.
В состав нуклеотида РНК в качестве сахара входит рибоза, в качестве азотистого основания - аденит, гуанин, урацил, цитозин. Урацил по строению и химическим свойствам близок к тимину, который обычен для ДНК. В зрелых молекулах РНК многие азотистые основания модифицированы, поэтому в реальности разновидностей азотистых оснований в составе РНК намного больше.
Рибоза в отличие от дезоксирибозы имеет дополнительную -ОН-группу (гидроксильную). Это обстоятельство позволяет РНК легче вступать в химические реакции.
Главной функцией РНК в клетках живых организмов можно назвать реализацию генетической информации. Именно благодаря разным типам рибонуклеиновой кислоты генетический код считывается (транскрибируется) с ДНК, после чего на его основе синтезируются полипептиды (происходит трансляция). Итак, если ДНК в основном отвечает за хранение и передачу из поколения в поколение генетической информации (основной процесс – репликация), то РНК реализует эту информацию (процессы транскрипции и трансляции). При этом транскрипция происходит на ДНК, так что этот процесс относится к обоим типам нуклеиновых кислот и тогда с этой точки зрения можно сказать, что и ДНК отвечает за реализацию генетической информации.
При более подробном рассмотрении функции РНК намного разнообразнее. Ряд молекул РНК выполняют структурную, каталитическую и другие функции.
Существует так называемая гипотеза РНК-мира, согласно которой вначале в живой природе в качестве носителя генетической информации выступали только молекулы РНК, при этом другие молекулы РНК катализировали различные реакции. Данная гипотеза подтверждена рядом опытов, показывающих возможную эволюцию РНК. На это указывает и то, что ряд вирусов в качестве нуклеиновой кислоты, хранящей генетическую информацию, имеют молекулу РНК.
Согласно гипотезе РНК-мира ДНК появилась позже в процессе естественного отбора как более устойчивая молекула, что важно для хранения генетической информации.
Выделяют три основных типа РНК (кроме них есть и другие): матричная (она же информационная), рибосомальная и транспортная. Обозначаются они соответственно иРНК (или мРНК), рРНК, тРНК.
Почти все РНК синтезируются на ДНК в процессе транскрипции. Однако часто транскрипция упоминается как синтез именно информационной РНК (иРНК). Связано это с тем, что последовательность нуклеотидов иРНК в последствии определит последовательность аминокислот синтезируемого в процессе трансляции белка.
Перед транскрипцией нити ДНК расплетаются, и на одной из них с помощью комплекса белков-ферментов синтезируется РНК по принципу комплементарности, так же как это происходит при репликации ДНК. Только напротив аденина ДНК к молекуле РНК присоединяется нуклеотид, содержащий урацил, а не тимин.
На самом деле на ДНК синтезируется не готовая информационная РНК, а ее предшественник - пре-иРНК. Предшественник содержит участки последовательности нуклеотидов, которые не кодируют белок и которые после синтеза пре-иРНК вырезаются при участии малых ядерных и ядрышковых РНК («дополнительные» типы РНК). Эти удаляющиеся участки называются интронами . Остающиеся части иРНК называются экзонами . После удаления интронов экзоны сшиваются между собой. Процесс удаления интронов и сшивания экзонов называется сплайсингом . Усложняющей жизнь особенностью является то, что можно вырезать интроны по-разному, в результате получатся разные готовые иРНК, которые будут служить матрицами для разных белков. Таким образом, вроде бы один ген ДНК может играть роль нескольких генов.
Следует отметить, что у прокариотических организмов сплайсинга не происходит. Обычно их иРНК сразу после синтеза на ДНК готова к трансляции. Бывает, что пока конец молекулы иРНК еще транскрибируется, на ее начале уже сидят рибосомы, синтезирующие белок.
После того как пре-иРНК созревает в информационную РНК и оказывается вне ядра, она становится матрицей для синтеза полипептида. При этом на нее «насаживаются» рибосомы (не сразу, какая-то оказывается первой, другая - второй и т. д.). Каждая синтезирует свою копию белка, т. е. на одной молекуле РНК могут синтезироваться сразу несколько одинаковых белковых молекул (понятно, что каждая будет находиться на своей стадии синтеза).
Рибосома, передвигаясь от начала иРНК к ее концу, считывает по три нуклеотида (хотя вмещает шесть, т. е. два кодона) и присоединяет соответствующую транспортную РНК (имеющую соответствующий кодону антикодон), к которой присоединена соответствующая аминокислота. После этого с помощью активного центра рибосомы ранее синтезированная часть полипептида, соединенная с предшествующей тРНК, как-бы «пересаживается» (образуется пептидная связь) на аминокислоту, прикрепленную к только что пришедшей тРНК. Таким образом, молекула белка постепенно увеличивается.
Когда молекула информационной РНК становится не нужна, клетка ее разрушает.
Транспортная РНК - это достаточно маленькая (по меркам полимеров) молекула (количество нуклеотидов бывает разным, в среднем около 80-ти), во вторичной структуре имеет форму клеверного листа, в третичной сворачивается в нечто подобное букве Г.
Функция тРНК - присоединение к себе соответствующей своему антикодону аминокислоты. В дальнейшем соединение с рибосомой, находящейся на соответствующем антикодону кодоне иРНК, и «передача» этой аминокислоты. Обобщая, можно сказать, что транспортная РНК переносит (на то она и транспортная) аминокислоты к месту синтеза белка.
Живая природа на Земле использует всего около 20-ти аминокислот для синтеза различных белковых молекул (на самом деле аминокислот куда больше). Но поскольку, согласно генетическому коду, кодонов больше 60-ти, то каждой аминокислоте может соответствовать несколько кодонов (на самом деле какой-то больше, какой-то меньше). Таким образом, разновидностей тРНК больше 20, при этом разные транспортные РНК переносят одинаковые аминокислоты. (Но и тут не так все просто.)
Рибосомную РНК часто также называют рибосомальной РНК. Это одно и то же.
Рибосомная РНК составляет около 80% всей РНК клетки, так как входит в состав рибосом, коих в клетке бывает достаточно много.
В рибосомах рРНК образует комплексы с белками, выполняет структурную и каталитическую функции.
В состав рибосомы входят несколько разных молекул рРНК, отличающиеся между собой как по длине цепи, вторичной и третичной структуре, выполняемым функциям. Однако их суммарная функция - это реализация процесса трансляции. При этом молекулы рРНК считывают информацию с иРНК и катализируют образование пептидной связи между аминокислотами.
Несмотря на высокую сходство базовых механизмов работы двух типов полимераз, осуществляющих синтез нуклеиновых кислот, существуют принципиальные различия между ними. Главная особенность заключается в том, что для ДНК-полимеразы ДНК является одновременно и матрицей, и продуктом реакции, и это создает существенные проблемы.
Поскольку при синтезе РНК в активном центре РНК-полимеразы временно существует гибридная двойная спираль ДНК-РНК (см. разделы 5, 6), РНК-полимераза может легко дискриминировать гибрид от обычной двойной спирали ДНК. Высокое сродство окружения активного центра РНК-полимеразы к гибрида и канала выхода транскрипта в РНК обеспечивает высокую процесивнисть фермента? способность работать без диссоциации после однократного акта инициации транскрипции. ДНК-полимераза имеет двойную спираль ДНК как в окружении своего активного центра, так и везде вне полимеразной комплексом. Соответственно, существует высокая вероятность ее диссоциации: процесивнисть ДНК-полимеразы является очень низкой? она может синтезировать к диссоциации лишь участок длиной 10? 20 нуклеотидов. Итак, должен существовать определенный дополнительный механизм повышения процесивности.
Высокое сродство РНК-полимеразы к гибрида ДНК-РНК позволяет легко разрушать двойную спираль ДНК по ходу движения полимеразы при элонгации транскрипции? транскрипт просто вытесняет нематричний цепь ДНК из дуплекса. Для ДНК-полимеразы такой механизм невозможно: дуплексы ДНК в комплексе с полимеразой и впереди нее ничем не отличаются друг от друга, т.е. ДНК-полимераза требует наличия одноцепочечной матричной ДНК, которая должна быть изъята из двойной спирали.
Третья проблема заключается в том, что ДНК-полимераза способна делать только одну операцию? продолжать (редактируя) 3"-конец цепи ДНК, она может инициировать синтез, создать первый фосфодиэфирных связь. Это означает, что определенная короткий участок должен быть создан как-то иначе, чтобы дальше ДНК-полимераза могла продолжать ее синтез. Такой участок, без которой невозможна работа ДНК-полимеразы, называют праймером (primer).
Обе нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК - были открыты швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером в 1869 году, задолго до выяснения их роли в передаче наследствен ной информации. А наиболее полную информацию об их химическом строении получил Фабус Арон Теодор Левин (1869-1940), американский ученый, родившийся в России и получивший образование в Петербурге.
"Несущей конструкцией" у обеих кислот является так называемый "сахарофосфатный остов", который у ДНК похож на перила спирально закрученной лестницы. Он состоит из остатков сахаров, соединенных между собой в цепочку с помощью остатков фосфорной кислоты. Именно эта конструкция скрепляет и поддерживает структуру молекулы нуклеиновой кислоты.
К молекулам сахаров остова прикреплены азотистые "основания", которые расположены как ступени лестницы (внутри от "перил"). Именно благодаря взаимодействиям между атомами водорода, азота и кислорода азотистых оснований одиночные цепочки ДНК могут объединяться в двухцепочечные структуры.
Нуклеиновые кислоты синтезируются в клетке из нуклеотидов - комплексов азотистого основания, сахара и остатков фосфорной кислоты, служащих универсальными блоками для построения ДНК и РНК. Существуют пять видов азотистых оснований - аденин (обозначаемый на схемах буквой А), тимин (Т), гуанин (G), цитозин (C) и урацил (U). Особенностью взаимодействий оснований, благодаря которым они могут формировать двухцепочечные нити, является их строгая специфичность: А может взаимодействовать только с Т, а G - с С (такое точное соответствие оснований и нитей ДНК называют комплементарностью, а сами нити и основания - комплементарными друг другу).
Отличия между РНК и ДНК сводятся к тому, что в состав сахарофосфатного остова РНК входит сахар рибоза, тогда как у ДНК рибоза "теряет" один атом кислорода и превращается в дезоксирибозу. Кроме того, вместо тимина (Т) в состав РНК входит урацил (U). Урацил отличается от тимина почти так же мало, как рибоза от дезоксирибозы: у него отсутствует лишь боковая метиловая группа (_СН3). Однако такие минимальные отличия в строении РНК и ДНК ведут к существенной разнице в структуре и функциях этих молекул.
Одно из наиболее очевидных различий состоит в том, что РНК большинства организмов, в отличие от двухнитчатой ДНК, существует в виде одной нити. Объясняется это двумя причинами. Во-первых, у всех клеточных организмов отсутствует фермент для катализа реакции образования РНК на матрице РНК. Такой фермент есть лишь у некоторых вирусов, гены которых "записаны" в виде двухнитчатой РНК. Остальные организмы могут синтезировать молекулы РНК только на ДНК-матрице. Во-вторых, из-за потери метильной группы урацилом связь между ним и аденином получается малоустойчивой, поэтому "удержание" второй (комплементарной) нити для РНК также является проблемой.
В силу вынужденной однонитчатости РНК, в отличие от ДНК, не закручивается в спираль, а благодаря взаимодействиям внутри одной и той же молекулы образует структуры типа "шпилек", "головки молотка", петель, крестов, клубков и прочего.
РНК копируется с ДНК по тем же законам, которые управляют синтезом самой ДНК: каждому основанию ДНК соответствует строго комплементарное основание в строящейся молекуле РНК. Однако, в отличие от копирования ДНК, когда копированию (репликации) подвергается вся молекула, РНК копирует лишь определенные участки на ДНК. В подавляющем большинстве эти участки являются генами, кодирующими белки. Для нашего рассказа важно, что благодаря такому выборочному копированию молекулы РНК всегда короче, а у высших организмов гораздо короче своих "сестер" - ДНК. Также важно то, что ДНК в водных растворах более устойчива, чем РНК. Различия во времени их полужизни (то есть времени, за которое разрушается половина данного количества молекул) составляют тысячи раз.
Итак, к середине 60-х годов ХХ века науке стали известны подробности функционирования двух молекул, которые более, чем белки, подходили для роли "молекул первожизни", - ДНК и РНК. Обе они кодируют генетическую информацию, и обе могут использоваться для ее переноса. Но одно дело - возможность нести информацию, и совершенно другое - способность передавать ее потомкам самостоятельно, без посторонней помощи. Во всех современных живых системах, от вирусов до высших животных, ДНК или РНК "пользуются услугами" белков-ферментов для того, чтобы быстро и эффективно, с помощью катализа, передавать свою закодированную информацию в ряду поколений. Ни одна из нуклеиновых кислот в современном мире не может копировать себя самостоятельно. Могла ли такая же кооперация существовать при зарождении жизни на Земле? Как образовалась триада сотрудничающих молекул - ДНК, РНК и белков, на которой построена вся современная жизнь? Кто и почему мог стать "прародителем" этих трех "молекулярных китов"?
МИР РНК
Мы остановились на деталях строения РНК неслучайно. В конце ХХ века произошел очередной переворот в теории возникновения жизни, "виновницей" которого как раз и стала эта молекула, до того времени казавшаяся тщательно изученной и достаточно предсказуемой.
Началась эта история в 70-х годах ХХ века, когда в клетках некоторых организмов были обнаружены необычные ферменты: они включали в свой состав кроме белка еще и молекулу РНК. В конце 70-х годов американские биохимики Томас Чек и Сидни Альтман независимо друг от друга изучали структуру и функции таких ферментов. Одной из задач было выяснение роли РНК, входящей в их состав. Вначале, следуя общепринятому мнению, ученые полагали, что молекула РНК является в таких комплексах лишь вспомогательным элементом, отвечающим, может быть, за построение правильной структуры фермента или за правильную ориентацию при взаимодействии фермента и субстрата (то есть той молекулы, которая и подвергается изменению), а саму катализируемую реакцию выполняет белок.
Для того чтобы прояснить ситуацию, исследователи отделили белковую и РНК составляющие друг от друга и исследовали их способности к катализу. К своему огромному удивлению, они заметили, что даже после удаления из фермента белка оставшаяся РНК была способна катализировать свою специфическую реакцию. Такое открытие означало бы переворот в молекулярной биологии: ведь раньше считалось, что к катализу способны лишь белки, но никак не нуклеиновые кислоты.
Последним, самым убедительным доказательством способности РНК к катализу стала демонстрация того, что даже искусственно синтезированная РНК, входящая в состав изучаемых ферментов, может самостоятельно катализировать реакцию.
Молекулы РНК, способные к катализу, были названы рибозимами (по аналогии с энзимами, то есть белковыми ферментами). За их открытие в 1989 году Чек и Альтман были удостоены Нобелевской премии по химии.
Эти результаты не замедлили сказаться на теории происхождения жизни: "фаворитом" стала молекула РНК. В самом деле, была обнаружена молекула, способная нести генетическую информацию и вдобавок к этому катализировать химические реакции! Более подходящего кандидата для зарождения доклеточной жизни трудно было представить.
Сценарий развития жизни преобразовался. Вначале, по новой гипотезе, в условиях молодой Земли спонтанно появились короткие цепочки молекул РНК. Некоторые из них, опять же спонтанно, приобретали способность к катализу реакции собственного воспроизведения (репликации). Из-за ошибок при репликации некоторые из дочерних молекул отличались от материнских и обладали новыми свойствами, например, могли катализировать другие реакции.
Еще одно важнейшее свидетельство того, что "вначале была РНК", принесли исследования рибосом. Рибосомы - структуры в цитоплазме клетки, состоящие из РНК и белков и отвечающие за синтез клеточных протеинов. В результате их изучения было выявлено, что у всех организмов именно РНК, находящаяся в каталитическом центре рибосом, отвечает за главный этап в сборке белков - соединение аминокислот между собой. Открытие этого факта еще более упрочило позиции сторонников РНК-мира. Действительно, если спроецировать современную картину жизни на ее возможное начало, разумно предположить, что рибосомы - структуры, специально существующие в клетке, чтобы "расшифровывать" код нуклеиновых кислот и производить белок, - появились когда-то как комплексы РНК, способные к соединению аминокислот в одну цепочку. Так на основе мира РНК мог появиться мир белков.
Совсем недавно были сделаны наблюдения, приведшие к еще одной сенсации. Оказывается, РНК не только катализирует химические реакции, но и защищает клетки растений и низших животных от вторжения вирусов. Эту функцию выполняет особый класс РНК - так называемые короткие, или малые, РНК, названные так потому, что их длина обычно не превышает двадцати одного "звена"-нуклеотида. У высших животных, например у млекопитающих, малые РНК также не остаются без работы и могут участвовать в регуляции считывания генной информации с хромосом.
Что такое ДНК и РНК? Каковы их функции и значение в нашем мире? Из чего они состоят и как работают? Об этом и не только рассказывается в статье.
Биологические науки, изучающие принципы хранения, реализации и передачи генетической информации, структуру и функции нерегулярных биополимеров относятся к молекулярной биологии.
Биополимеры, высокомолекулярные органические соединения, которые образовались из остатков нуклеотидов, являются нуклеиновыми кислотами. Они хранят информацию о живом организме, определяют его развитие, рост, наследственность. Эти кислоты участвуют в биосинтезе белка.
Различают два вида нуклеиновых кислот, содержащихся в природе:
О том, что такое ДНК, миру было поведано в 1868 году, когда ее открыли в клеточных ядрах лейкоцитов и сперматозоидов лосося. Позже они были обнаружены во всех животных и растительных клетках, а также в бактериях, вирусах и грибах. В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик в результате рентгено-структурного анализа выстроили модель, состоящую из двух полимерных цепей, которые закручены спиралью одна вокруг другой. В 1962 году эти ученые были удостоены Нобелевской премии за свое открытие.
Что такое ДНК? Это нуклеиновая кислота, которая содержит генотип индивида и передает информацию по наследству, самовоспроизводясь. Поскольку эти молекулы являются очень большими, имеется огромное количество возможных последовательностей из нуклеотидов. Поэтому число различных молекул является фактически бесконечным.
Это самые крупные биологические молекулы. Их размер составляет от одной четверти у бактерий до сорока миллиметров в ДНК человека, что гораздо больше максимального размера белка. Они состоят из четырех мономеров, структурных компонентов нуклеиновых кислот — нуклеотидов, в которые входит азотистое основание, остаток фосфорной кислоты и дезоксирибоза.
Азотистые основания имеют двойное кольцо из углерода и азота— пурины, и одно кольцо — пиримидины.
Пуринами являются аденин и гуанин, а пиримидинами — тимин и цитозин. Они обозначаются заглавными латинскими буквами: A, G, T, C; а в русской литературе — на кириллице: А, Г, Т, Ц. При помощи химической водородной связи они соединяются друг с другом, в результате чего появляются нуклеиновые кислоты.
Во Вселенной именно спираль является наиболее распространенной формой. Так и структура ДНК молекулы тоже имеет ее. Полинуклеотидная цепочка закручена наподобие винтовой лестницы.
Цепи в молекуле направлены противоположно друг от друга. Получается, если в одной цепи от 3"-конца к 5", то в другой цепи ориентация будет наоборот от 5"-конца к 3".
Две нити соединяются в молекулу азотистыми основаниями таким образом, что аденин имеет связь с тимином, а гуанин — только с цитозином. Последовательно расположенные нуклеотиды в одной цепи определяют другую. Это соответствие, лежащее в основе появления новых молекул в результате репликации или удвоения, стало называться комплементарностью.
Получается, что число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а гуаниловые равны количеству цитидиловых. Это соответствие стало называться «правилом Чаргаффа».
Процесс самовоспроизведения, протекающий под контролем ферментов, является основным свойством ДНК.
Все начинается с раскручивания спирали благодаря ферменту ДНК-полимеразы. После разрыва водородных связей, в одной и в другой нитях синтезируется дочерняя цепь, материалом для которой выступают свободные нуклеотиды, имеющиеся в ядре.
Каждая цепь ДНК является матрицей для новой цепи. В результате из одной получаются две абсолютно идентичные материнской молекулы. При этом одна нить синтезируется сплошной, а другая сначала фрагментарно, лишь затем соединяясь.
Молекула несет в себе всю важную информацию о нуклеотидах, определяет расположение аминокислот в белках. ДНК человека и всех других организмов хранит сведения о его свойствах, передавая их потомкам.
Частью ее является ген — группа нуклеотидов, которая кодирует информацию о белке. Совокупность генов клетки образует ее генотип или геном.
Гены расположены на определенном участке ДНК. Они состоят из определенного числа нуклеотидов, которые расположены в последовательной комбинации. Имеется в виду то, что ген не может поменять свое место в молекуле, и он имеет совершенно конкретное число нуклеотидов. Их последовательность уникальна. Например, для получения адреналина используется один порядок, а для инсулина — другой.
Кроме генов, в ДНК располагаются некодирующие последовательности. Они регулируют работу генов, помогают хромосомам и отмечают начало и конец гена. Но сегодня остается неизвестной роль большинства из них.
Эта молекула во многом схожа с дезоксирибонуклеиновой кислотой. Однако она не такая большая, как ДНК. И РНК также состоит из полимерных нуклеотидов четырех типов. Три из них сходны с ДНК, но вместо тимина в нее входит урацил (U или У). Кроме этого, РНК состоит из углевода — рибозы. Главным отличием служит то, что спираль этой молекулы является одинарной, в отличие от двойной в ДНК.
В основе функций рибонуклеиновой кислоты лежат три различных вида РНК.
Информационная передает генетическую информацию от ДНК в цитоплазму ядра. Ее еще называют матричной. Это незамкнутая цепь, синтезирующаяся в ядре при помощи фермента РНК-полимеразы. Несмотря на то что в молекуле ее процентное содержание чрезвычайно низкое (от трех до пяти процентов клетки), на ней лежит важнейшая функция - являться матрицей для синтеза белков, информируя об их структуре с молекул ДНК. Один белок кодируется одной специфичной ДНК, поэтому их числовое значение равное.
Рибосомная в основном состоит из цитоплазматических гранул — рибосом. Р-РНК синтезируются в ядре. На их долю приходится примерно восемьдесят процентов всей клетки. Этот вид обладает сложной структурой, образовывая петли на комплементарных частях, что ведет к молекулярной самоорганизации в сложное тело. Среди них имеются три типа у прокариот, и четыре — у эукариот.
Транспортная действует в роли «адаптера», выстраивая в соответствующем порядке аминокислоты полипептидной цепи. В среднем, она состоит из восьмидесяти нуклеотидов. В клетке их содержится, как правило, почти пятнадцать процентов. Она предназначена переносить аминокислоты туда, где белок синтезируется. В клетке насчитывается от двадцати до шестидесяти типов транспортной РНК. У них всех — сходная организация в пространстве. Они приобретают структуру, которую называют клеверным листом.
Когда было открыто, что такое ДНК, ее роль не была такой очевидной. Даже сегодня, несмотря на то, что раскрыто намного больше информации, остаются без ответов некоторые вопросы. А какие-то, возможно, еще даже не сформулированы.
Общеизвестное биологическое значение ДНК и РНК заключаются в том, что ДНК передает наследственную информацию, а РНК участвует в синтезе белка и кодирует белковую структуру.
Однако существуют версии, что эта молекула связана с нашей духовной жизнью. Что такое ДНК человека в этом смысле? Она содержит всю информацию о нем, его жизнедеятельности и наследственности. Метафизики считают, что опыт прошлых жизней, восстановительные функции ДНК и даже энергия Высшего «Я» - Творца, Бога содержится в ней.
По их мнению, цепочки содержат коды, касающиеся всех аспектов жизни, включая и духовную часть. Но некоторая информация, например, о восстановлении своего тела, расположена в структуре кристалла многомерного пространства, находящегося вокруг ДНК. Она представляет собой двенадцатигранник и является памятью всей жизненной силы.
Ввиду того, что человек не обременяет себя духовными знаниями, обмен информации в ДНК с кристаллической оболочкой происходит очень медленно. У среднестатистического человека он составляет всего пятнадцать процентов.
Предполагается, что это было сделано специально для сокращения жизни человека и падения на уровень дуальности. Таким образом, у человека растет кармический долг, а на планете поддерживается необходимый для некоторых сущностей уровень вибрации.
Несмотря на высокую сходство базовых механизмов работы двух типов полимераз, осуществляющих синтез нуклеиновых кислот, существуют принципиальные различия между ними. Главная особенность заключается в том, что для ДНК-полимеразы ДНК является одновременно и матрицей, и продуктом реакции, и это создает существенные проблемы.
Поскольку при синтезе РНК в активном центре РНК-полимеразы временно существует гибридная двойная спираль ДНК-РНК (см. разделы 5, 6), РНК-полимераза может легко дискриминировать гибрид от обычной двойной спирали ДНК. Высокое сродство окружения активного центра РНК-полимеразы к гибрида и канала выхода транскрипта в РНК обеспечивает высокую процесивнисть фермента? способность работать без диссоциации после однократного акта инициации транскрипции. ДНК-полимераза имеет двойную спираль ДНК как в окружении своего активного центра, так и везде вне полимеразной комплексом. Соответственно, существует высокая вероятность ее диссоциации: процесивнисть ДНК-полимеразы является очень низкой? она может синтезировать к диссоциации лишь участок длиной 10? 20 нуклеотидов. Итак, должен существовать определенный дополнительный механизм повышения процесивности.
Высокое сродство РНК-полимеразы к гибрида ДНК-РНК позволяет легко разрушать двойную спираль ДНК по ходу движения полимеразы при элонгации транскрипции? транскрипт просто вытесняет нематричний цепь ДНК из дуплекса. Для ДНК-полимеразы такой механизм невозможно: дуплексы ДНК в комплексе с полимеразой и впереди нее ничем не отличаются друг от друга, т.е. ДНК-полимераза требует наличия одноцепочечной матричной ДНК, которая должна быть изъята из двойной спирали.
Третья проблема заключается в том, что ДНК-полимераза способна делать только одну операцию? продолжать (редактируя) 3"-конец цепи ДНК, она может инициировать синтез, создать первый фосфодиэфирных связь. Это означает, что определенная короткий участок должен быть создан как-то иначе, чтобы дальше ДНК-полимераза могла продолжать ее синтез. Такой участок, без которой невозможна работа ДНК-полимеразы, называют праймером (primer).
Обе нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК - были открыты швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером в 1869 году, задолго до выяснения их роли в передаче наследствен ной информации. А наиболее полную информацию об их химическом строении получил Фабус Арон Теодор Левин (1869-1940), американский ученый, родившийся в России и получивший образование в Петербурге.
"Несущей конструкцией" у обеих кислот является так называемый "сахарофосфатный остов", который у ДНК похож на перила спирально закрученной лестницы. Он состоит из остатков сахаров, соединенных между собой в цепочку с помощью остатков фосфорной кислоты. Именно эта конструкция скрепляет и поддерживает структуру молекулы нуклеиновой кислоты.
К молекулам сахаров остова прикреплены азотистые "основания", которые расположены как ступени лестницы (внутри от "перил"). Именно благодаря взаимодействиям между атомами водорода, азота и кислорода азотистых оснований одиночные цепочки ДНК могут объединяться в двухцепочечные структуры.
Нуклеиновые кислоты синтезируются в клетке из нуклеотидов - комплексов азотистого основания, сахара и остатков фосфорной кислоты, служащих универсальными блоками для построения ДНК и РНК. Существуют пять видов азотистых оснований - аденин (обозначаемый на схемах буквой А), тимин (Т), гуанин (G), цитозин (C) и урацил (U). Особенностью взаимодействий оснований, благодаря которым они могут формировать двухцепочечные нити, является их строгая специфичность: А может взаимодействовать только с Т, а G - с С (такое точное соответствие оснований и нитей ДНК называют комплементарностью, а сами нити и основания - комплементарными друг другу).
Отличия между РНК и ДНК сводятся к тому, что в состав сахарофосфатного остова РНК входит сахар рибоза, тогда как у ДНК рибоза "теряет" один атом кислорода и превращается в дезоксирибозу. Кроме того, вместо тимина (Т) в состав РНК входит урацил (U). Урацил отличается от тимина почти так же мало, как рибоза от дезоксирибозы: у него отсутствует лишь боковая метиловая группа (_СН 3). Однако такие минимальные отличия в строении РНК и ДНК ведут к существенной разнице в структуре и функциях этих молекул.
Одно из наиболее очевидных различий состоит в том, что РНК большинства организмов, в отличие от двухнитчатой ДНК, существует в виде одной нити. Объясняется это двумя причинами. Во-первых, у всех клеточных организмов отсутствует фермент для катализа реакции образования РНК на матрице РНК. Такой фермент есть лишь у некоторых вирусов, гены которых "записаны" в виде двухнитчатой РНК. Остальные организмы могут синтезировать молекулы РНК только на ДНК-матрице. Во-вторых, из-за потери метильной группы урацилом связь между ним и аденином получается малоустойчивой, поэтому "удержание" второй (комплементарной) нити для РНК также является проблемой.
В силу вынужденной однонитчатости РНК, в отличие от ДНК, не закручивается в спираль, а благодаря взаимодействиям внутри одной и той же молекулы образует структуры типа "шпилек", "головки молотка", петель, крестов, клубков и прочего.
РНК копируется с ДНК по тем же законам, которые управляют синтезом самой ДНК: каждому основанию ДНК соответствует строго комплементарное основание в строящейся молекуле РНК. Однако, в отличие от копирования ДНК, когда копированию (репликации) подвергается вся молекула, РНК копирует лишь определенные участки на ДНК. В подавляющем большинстве эти участки являются генами, кодирующими белки. Для нашего рассказа важно, что благодаря такому выборочному копированию молекулы РНК всегда короче, а у высших организмов гораздо короче своих "сестер" - ДНК. Также важно то, что ДНК в водных растворах более устойчива, чем РНК. Различия во времени их полужизни (то есть времени, за которое разрушается половина данного количества молекул) составляют тысячи раз.
Итак, к середине 60-х годов ХХ века науке стали известны подробности функционирования двух молекул, которые более, чем белки, подходили для роли "молекул первожизни", - ДНК и РНК. Обе они кодируют генетическую информацию, и обе могут использоваться для ее переноса. Но одно дело - возможность нести информацию, и совершенно другое - способность передавать ее потомкам самостоятельно, без посторонней помощи. Во всех современных живых системах, от вирусов до высших животных, ДНК или РНК "пользуются услугами" белков-ферментов для того, чтобы быстро и эффективно, с помощью катализа, передавать свою закодированную информацию в ряду поколений. Ни одна из нуклеиновых кислот в современном мире не может копировать себя самостоятельно. Могла ли такая же кооперация существовать при зарождении жизни на Земле? Как образовалась триада сотрудничающих молекул - ДНК, РНК и белков, на которой построена вся современная жизнь? Кто и почему мог стать "прародителем" этих трех "молекулярных китов"?
МИР РНК
Мы остановились на деталях строения РНК неслучайно. В конце ХХ века произошел очередной переворот в теории возникновения жизни, "виновницей" которого как раз и стала эта молекула, до того времени казавшаяся тщательно изученной и достаточно предсказуемой.
Началась эта история в 70-х годах ХХ века, когда в клетках некоторых организмов были обнаружены необычные ферменты: они включали в свой состав кроме белка еще и молекулу РНК. В конце 70-х годов американские биохимики Томас Чек и Сидни Альтман независимо друг от друга изучали структуру и функции таких ферментов. Одной из задач было выяснение роли РНК, входящей в их состав. Вначале, следуя общепринятому мнению, ученые полагали, что молекула РНК является в таких комплексах лишь вспомогательным элементом, отвечающим, может быть, за построение правильной структуры фермента или за правильную ориентацию при взаимодействии фермента и субстрата (то есть той молекулы, которая и подвергается изменению), а саму катализируемую реакцию выполняет белок.
Для того чтобы прояснить ситуацию, исследователи отделили белковую и РНК составляющие друг от друга и исследовали их способности к катализу. К своему огромному удивлению, они заметили, что даже после удаления из фермента белка оставшаяся РНК была способна катализировать свою специфическую реакцию. Такое открытие означало бы переворот в молекулярной биологии: ведь раньше считалось, что к катализу способны лишь белки, но никак не нуклеиновые кислоты.
Последним, самым убедительным доказательством способности РНК к катализу стала демонстрация того, что даже искусственно синтезированная РНК, входящая в состав изучаемых ферментов, может самостоятельно катализировать реакцию.
Молекулы РНК, способные к катализу, были названы рибозимами (по аналогии с энзимами, то есть белковыми ферментами). За их открытие в 1989 году Чек и Альтман были удостоены Нобелевской премии по химии.
Эти результаты не замедлили сказаться на теории происхождения жизни: "фаворитом" стала молекула РНК. В самом деле, была обнаружена молекула, способная нести генетическую информацию и вдобавок к этому катализировать химические реакции! Более подходящего кандидата для зарождения доклеточной жизни трудно было представить.
Сценарий развития жизни преобразовался. Вначале, по новой гипотезе, в условиях молодой Земли спонтанно появились короткие цепочки молекул РНК. Некоторые из них, опять же спонтанно, приобретали способность к катализу реакции собственного воспроизведения (репликации). Из-за ошибок при репликации некоторые из дочерних молекул отличались от материнских и обладали новыми свойствами, например, могли катализировать другие реакции.
Еще одно важнейшее свидетельство того, что "вначале была РНК", принесли исследования рибосом. Рибосомы - структуры в цитоплазме клетки, состоящие из РНК и белков и отвечающие за синтез клеточных протеинов. В результате их изучения было выявлено, что у всех организмов именно РНК, находящаяся в каталитическом центре рибосом, отвечает за главный этап в сборке белков - соединение аминокислот между собой. Открытие этого факта еще более упрочило позиции сторонников РНК-мира. Действительно, если спроецировать современную картину жизни на ее возможное начало, разумно предположить, что рибосомы - структуры, специально существующие в клетке, чтобы "расшифровывать" код нуклеиновых кислот и производить белок, - появились когда-то как комплексы РНК, способные к соединению аминокислот в одну цепочку. Так на основе мира РНК мог появиться мир белков.
Совсем недавно были сделаны наблюдения, приведшие к еще одной сенсации. Оказывается, РНК не только катализирует химические реакции, но и защищает клетки растений и низших животных от вторжения вирусов. Эту функцию выполняет особый класс РНК - так называемые короткие, или малые, РНК, названные так потому, что их длина обычно не превышает двадцати одного "звена"-нуклеотида. У высших животных, например у млекопитающих, малые РНК также не остаются без работы и могут участвовать в регуляции считывания генной информации с хромосом.
42. Гормоны: особенности, классификация, механизм действия и физиологическое действие .
Гормо́ны (др.-греч. ὁρμάω - возбуждаю, побуждаю) - биологически активные вещества органической природы, вырабатывающиеся в специализированных клетках желёз внутренней секреции, поступающие в кровь, связывающиеся с рецепторами клеток-мишеней и оказывающие регулирующее влияние на обмен веществ и физиологические функции. Гормоны служат гуморальными (переносимыми с кровью) регуляторами определённых процессов в различных органах и системах.
