какие виды нуклеиновых кислот в днк
Типы и структура нуклеиновых кислот
Типы нуклеиновых кислот
Есть два типа нуклеиновая кислота : дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Оба играют центральную роль в каждой функции каждого живого организм, Нуклеиновые кислоты имеют сходные основные структуры с важными отличиями. Они состоят из мономер нуклеотиды, связанные как звенья в цепи, чтобы сформировать полимеры нуклеиновой кислоты. Нуклеотиды состоят из нуклеозида (комбинация пентозы моносахарид молекула и азотистая основа ) и фосфатная группа, Разница между РНК и ДНК заключается в одном азотистом основании и одном атоме кислорода в молекуле сахара.
ДНК – это генетический проект живого организма, в котором хранится вся информация и из которого может быть передана вся информация. Имеет отличительный двойная спираль Форма – две отдельные нити, которые сплетаются друг с другом. Нить ДНК намного длиннее, чем у единственной нити РНК. Это потому, что каждая нить ДНК в каждом клетка содержит план для всего организма. Дезоксирибонуклеиновая кислота находится в основном в ядре. Тем не менее, ДНК в гораздо более короткой версии также можно найти в митохондрии (мтДНК), где он поставляет гены, необходимые для производства аденозинтрифосфата, наиболее важного источника клеточной энергии.
Любая клетка с ядром содержит нуклеиновую кислоту в форме ДНК. Существуют различные исключения из правила. Некоторые клетки теряют свое ядро и ДНК в процессе старения, такие как зрелый красный кровь клетки, корнеоциты и кератиноциты. Тромбоциты крови иногда упоминаются как не содержащие ни ядра, ни ДНК; однако тромбоциты представляют собой фрагменты мегакариоцитов и не считаются действительными клетками. Одноклеточные организмы (прокариоты), такие как бактерии не имеют ядра, но содержат свободные нити ДНК в цитоплазма, как показано ниже.
Структура нуклеиновой кислоты ДНК
Структура ДНК, всемирно признанной двойной спирали, основана на двух нитях сахарофосфатного остова, удерживаемых вместе азотистыми базовыми веретенами. ДНК содержит четыре азотистых основания или нуклеиновых основания: аденин, тимин, цитозин и гуанин. Это природные соединения, которые дают каждому нуклеотид Его название и подразделяются на две группы – пиримидины и пурины. В то время как пиримидиновые цитозин, тимин и урацил (см. РНК) представляют собой небольшие конструкции с одним кольцом, аденин и гуанин имеют более крупные и двойные кольца. Это различие в форме и размерах и последующее различие в электрическом заряде является важным, поскольку оно допускает только конкретные дополнительные пары между различными типами групп; в ДНК аденин будет связываться только с тимином, а цитозин будет связываться только с гуанином. Это создает азотистые базовые шпиндели одинаковой длины и зеркальное отображение на противоположной нити.
Форма двойной спирали ДНК обусловлена формой нуклеотидов мономера. Когда асимметричные молекулы сложены одна поверх другой, часто получается спираль. В ДНК каждая нить идет параллельно друг другу или в противоположных направлениях.
Нуклеотидный мономер, который составляет единственное звено цепи полимера ДНК, образован из нуклеиновой основы, фосфатной группы и пятиуглеродного (пентозного) сахара, называемого 2-дезоксирибоза, «Дезокси» относится к потере атома кислорода по отношению к другой форме пентозного сахара, известной как рибоза (см. РНК). Этот недостаток атома кислорода также играет роль в спиральной структуре ДНК. На следующем изображении показана разница в химической структуре этих двух пентозных сахаров. Обратите внимание на отсутствие красной молекулы кислорода на втором углероде дезоксирибозы слева.
Дезоксирибоза ковалентно связывается с фосфатной группой. Это производит цепь, известную как сахарно-фосфатный остов. Эта структура оставляет каждое нуклеотидное основание открытым и свободным для связи с правильным нуклеотидным основанием на противоположной цепи.
РНК находится в каждом типе клеток. Это важно для производства белков посредством репликации генетической информации. Используя ДНК-схему, РНК в различных формах копирует и передает закодированные генетические данные в клеточные рибосомы. В свою очередь, рибосомы переводят эти данные в форму белков. РНК не связана с двухспиральной структурой ДНК. Тем не менее, он обладает способностью формировать эту структуру на временный период и существует в отдельных нитях различной длины. Даже в двуядерных эритроцитах РНК продолжает осуществлять процесс транскрипция, Это потому, что биосинтез белка необходим для каждой реакции в живом организме.
Типы РНК
РНК имеет четыре основные формы, названные в соответствии с ее конкретной ролью. Они известны как мессенджер РНК (мРНК ), перенос РНК (тРНК ), рибосомная РНК (рРНК) и некодирующая РНК (нкРНК). Три из них – мРНК, тРНК и рРНК – отвечают за выработку белков из одного аминокислоты в соответствии с планом ДНК. Некодирующая РНК – это широкая группа рибонуклеиновых кислот, которые не продуцируют белки посредством кодов ДНК. Исследования в этой группе все еще находятся в зачаточном состоянии, и многие из них относятся к категории, известной как «мусорная» РНК. Однако большие количества определенных типов РНК могут указывать функции в таких областях, как хромосома структура, гомеостаз и клетка физиология.
Структура нуклеиновой кислоты РНК
По структуре РНК очень похожа на ДНК. Основные отличия: отсутствие структуры с двойной спиралью, рибоза вместо дезоксирибозы и урацил вместо тимина.
РНК в основном обнаруживается в единичных или сложенных формах. Он имеет тенденцию образовывать двойную спираль только на временной основе. Пентозный сахар в форме рибозы, который является частью сахарофосфатного остова РНК, имеет дополнительный атом кислорода на втором атоме углерода, который образует гидроксильная группа, Нуклеиновая основа урацила, специфичная для РНК, заменяет тимин, обнаруженный в ДНК. Изображение ниже ясно показывает эти структурные и элементные различия.
Структура нуклеиновой кислоты
Нуклеиновые кислоты могут образовывать огромные полимеры, которые могут принимать различные формы. Таким образом, существует несколько способов обсуждения структуры нуклеиновой кислоты. «Структура нуклеиновой кислоты» может означать нечто такое простое, как последовательность нуклеотидов в куске ДНК. Или это может означать что-то настолько сложное, как то, как складывается молекула ДНК и как она взаимодействует с другими молекулами.
Вот немного о каждом уровне структуры нуклеиновой кислоты:
Первичная структура
Нуклеотиды – строительные блоки нуклеиновых кислот и «буквы» генетического «кода» – состоят из двух компонентов:
Вторичная структура
Вторичная структура относится к тому, как нуклеотидные основания образуют водородную связь друг с другом и какую форму это создает из их двух цепей. Водородные связи, которые образуются между комплементарными основаниями двух цепей нуклеиновой кислоты, весьма отличаются от Ковалентная связь который образуется между сестринскими мономерами в цепи нуклеиновой кислоты.
Связи между основаниями в одной цепи нуклеиновой кислоты являются ковалентными – они полностью разделяют свои электроны и связаны так, что их очень трудно разорвать. Атомы, связанные ковалентными связями, являются частью одной и той же молекулы. С другой стороны, водородные связи представляют собой слабые связи, возникающие из-за слабых временных притяжений между положительно заряженными ядрами водорода и электронами других атомов. Молекулы на самом деле не разделяют электроны, поэтому их можно довольно легко разделить. Изменения факторов окружающей среды, таких как кислотность, также могут нарушать водородные связи.
Наиболее распространенная вторичная структура, с которой мы знакомы, – это двойная спираль, которая образуется, когда две комплементарные нити водородной связи ДНК связаны друг с другом. Возможны и другие структуры, такие как «стволовая петля», которая возникает, когда отдельная молекула РНК сворачивается назад и образует водородные связи с самим собой, или четырехрукая структура, которая может возникать, когда четыре разные цепи водородной связи нуклеиновой кислоты с разными части друг друга. Считается, что некоторые из этих вторичных структурных возможностей используются, чтобы помочь контролировать ген выражение и выполнять другие биологические функции. В целом, ферменты транскрипции будут экспрессировать только те гены, к которым они имеют доступ. Если фрагмент гена или РНК «связан» в клубке нуклеиновых кислот, ферменты могут быть менее вероятно его достичь. Гены в более открытых, простых вторичных структурах, с другой стороны, могут с большей вероятностью быть экспрессированными.
Третичная структура
Третичная структура относится к положению атомов нуклеиновой кислоты в пространстве. Есть несколько общих измерений, которые обсуждаются, когда речь идет о третичной структуре нуклеиновой кислоты, в том числе:
Хотя любая асимметричная молекула может иметь стереоизомер, как вы можете догадаться, «длина поворота спирали» довольно уникальна для нуклеиновых кислот.
Это еще одна мера точной формы и свойств спирали нуклеиновой кислоты. Это может быть химически и биологически важным, поскольку оно определяет, какие ферменты и молекулы могут влиять на ДНК или РНК.
В двойной спирали нуклеиновой кислоты «основная канавка» – это более широкий путь, который открывается между двумя двумя цепями нуклеиновой кислоты. «Малая борозда» является более узкой. В некоторых случаях эти бороздки могут служить сайтами связывания для других молекул.
Размеры главных и второстепенных канавок могут варьироваться в зависимости от нескольких факторов, включая химическую среду двойной спирали. Все, что влияет на прочность водородных связей, может повлиять на размер основных и второстепенных канавок.
Четвертичная структура
Четвертичная структура относится к большим формам и структурам, которые могут быть сделаны нуклеиновыми кислотами. Подобно аминокислотам и белкам, нуклеиновые кислоты могут образовывать большие структуры. Форма этих структур может быть важна для их функций.
Примеры четвертичных структур нуклеиновых кислот включают хроматиды – огромные молекулы ДНК, которые плотно упакованы для хранения и транспортировки во время деление клеток – и рибосомы, которые представляют собой органеллы, сделанные частично из РНК.
Некоторые рибозимы также выполняют свою работу частично благодаря использованию четвертичной структуры. Это позволяет им взаимодействовать со своими субстратами. Как и ферменты из белка, рибозимы должны точно соответствовать подложка чтобы катализировать его химические реакции.
Какие виды нуклеиновых кислот в днк
1. Определение ДНК
Нуклеиновые кислоты представляют собой высокомолекулярные линейные полимеры. Так как содержание нуклеиновых кислот больше всего в ядре, то они получили свое название от латинского слова nucleus («ядро», лат.). Впрочем, нуклеиновые кислоты содержатся не только в ядре, где, безусловно, их больше всего, но и в хлоропластах и митохондриях (рис. 1).
Рис. 1. Органеллы, в которых содержится ДНК
Нуклеиновые кислоты являются биополимерами, которые состоят из мономеров – нуклеотидов. Молекула нуклеотида состоит из трех составных частей: из пятиуглеродного сахара – пентозы, из азотистого основания и остатка фосфорной кислоты (рис. 2).
Сахар, входящий в состав нуклеотида, представляет собой пентозу, то есть он является пятиуглеродным сахаром. В зависимости от вида пентозы (дезоксирибоза или рибоза) различают молекулы ДНК и РНК (рис. 3).
Рис. 3. Химический состав нуклеотидов
Азотистые основания. Во всех типах нуклеиновых кислот: ДНК или РНК, содержатся основания четырех разных видов (рис. 4). В ДНК: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). В РНК вместо тимина (Т) урацил (У).
Фосфорная кислота. Нуклеиновые кислоты являются кислотами, потому что в их состав входит остаток фосфорной кислоты. Обратите внимание на то, что остаток фосфорной кислоты присоединен к сахару по гидроксильной группе 3 ’ и 5 ’ углеродом атома (рис. 5).
Рис. 5 Фосфодиэфирная связь между отдельными нуклеотидами в цепочке нуклеиновой кислоты
Это очень важно для понимания того, каким образом нуклеотиды образуют нуклеиновую кислоту. Они соединяются друг с другом с помощью т. н. фосфодиэфирной связи.
2. Структура молекулы ДНК
Нуклеиновые кислоты, как и белки, имеют первичную, вторичную и третичную структуру. Первичная структура ДНК – это последовательность нуклеотидных остатков в полинуклеотидных цепях.
Вторичная структура – пространственная конфигурация полинуклеотидных цепей ДНК
В формировании вторичной структуры полинуклеотидной цепи важное значение имеют водородные связи, которые возникают на основе принципа комплементарности, то есть дополнительности или соответствия между парами оснований: аденином и тимином, гуанином и цитозином
Эти комплементарные пары способны образовывать между собой прочные водородные связи. Так, между аденином и тимином формируются две водородные связи, а между гуанином и цитозином – три водородные связи.
В 1953 году Джеймс Уотсон и Френсис Крик предложили пространственную модель структуры ДНК (рис. 9).
Рис. 9. Лауреаты Нобелевской премии «за создание пространственной модели ДНК»
Согласно этой модели, молекула ДНК представляет собой двухцепочечную правозакрученную спираль, состоящую из комплементарных друг другу антипараллельных цепей.
Эти цепи связаны друг с другом азотистыми основаниями. Если «раскрутить» молекулу ДНК, то она будет напоминать винтовую лестницу. Две цепочки – образованы остатками фосфорной кислоты и пентозы, а перекладины «лестницы» – азотистые основания, которые взаимодействуют друг с другом с помощью водородных связей.
Между аденином и тимином возникают две водородные связи, а между гуанином и цитозином – три.
3. Третичная структура ДНК
У всех живых организмов молекула ДНК плотно упакована с образованием сложных трехмерных структур. Нахождение ДНК в суперспирализованном состоянии дает возможность сделать молекулу более компактной (рис. 10).
Рис. 10. Третичная структура ДНК. Сверхплотная упаковка ДНК с белками-гистонами образует хромосому
У всех живых организмов двуспиральная молекула ДНК плотно упакована и образует сложные трехмерные структуры (рис. 11).
Рис. 11. Модели двухцепочечных ДНК
Двухцепочная ДНК бактерий имеет кольцевидную форму и образует суперспираль. Суперспирализация необходима для упаковки громадной по клеточным меркам ДНК в малом объеме клетки.
Например, ДНК кишечной палочки имеет длину более 1 мм, в то время как длина клетки не превышает 5 мкм (в 1 мм = 1000 мкм) (рис. 12).
Рис. 12. ДНК в нуклеоиде бактерий (слева) и в клетках тела человека (справа)
Хромосомы эукариот представляют собой суперспирализованные линейные молекулы ДНК (рис. 13).
Рис. 13. Хромосомы эукариот
В процессе упаковки эукариотическая ДНК обматывает белки – гистоны, располагающиеся вдоль ДНК через определенные интервалы. Эти белки образуют нуклеосомы (рис. 14). Вторым уровнем пространственной организации ДНК является образование хроматина – волокон, из которых состоят хромосомы.
Рис. 14. Третичная структура ДНК
В ядре каждой клетки тела человека, кроме половых клеток, содержится 23 пары хромосом (рис. 15). На каждую из них приходится по одной молекуле ДНК. Длина всех 46 молекул ДНК в одной клетке человека почти равна двум метрам, а число нуклеотидных пар в ней 3,2 млрд.
Рис. 15. Хромосомы человека. Кариотип мужчины
Так что, если бы молекула ДНК не была организована в плотную структуру, то наша жизнь была бы невозможна геометрически.
4. Функции молекулы ДНК
Функции ДНК – хранение и передача наследственной информации.
Хранение наследственной информации. Порядок расположения нуклеотидных остатков в молекуле ДНК определяет последовательность аминокислот в молекуле белка. В молекуле ДНК зашифрована вся информация о признаках и свойствах нашего организма.
Передача наследственной информации следующему поколению. Эта функция осуществляется, благодаря способности молекулы ДНК к самоудвоению – репликации. ДНК может распадаться на две комплементарные цепочки, и на каждой из них на основе того же принципа комплементарности восстановится исходная последовательность нуклеотидов.
5. История открытия нуклеиновых кислот
В научной литературе посвященной изучению строению молекулы ДНК, как правило, упоминается Джеймс Уотсон и Френсис Крик (рис. 9).
Но первооткрывателями нуклеиновых кислот был Фридрих Иоганн Мишер (рис. 16), швейцарский ученый, который работал в Германии.
Рис. 16. Первооткрыватель нуклеиновых кислот
В 1869 году Мишер занимался изучением животных клеток – лейкоцитов. Для получения лейкоцитов он использовал гнойные повязки, которые ему доставлялись из больниц. Он брал гной, отмывал лейкоциты и выделял из них белок.
В процессе исследований Мишеру удалось установить, что кроме белков, в лейкоцитах содержится ещё какое-то неизвестное вещество.
Оно выделялось в виде нитевидного или хлопьевидного осадка при создании кислой среды. При добавлении щелочи этот осадок растворялся.
Исследуя препарат лейкоцитов под микроскопом, Мишер обнаружил, что в процессе отмывания лейкоцитов соляной кислотой от них остаются ядра. Он сделал вывод, что в ядрах имеется неизведанное вещество, то есть новое вещество, которое он назвал нуклеином, от слова nucleus – ядро.
Кроме этого, по данным химического анализа Мишер установил, что это новое вещество состоит из углерода, водорода, кислорода и фосфора. Фосфорорганических соединений в то время было известно очень мало, поэтому Мишер пришел к выводу, что открыл новый класс соединений в ядре.
Так в XIX веке стало известно о существовании нуклеиновых кислот, но тогда никто не мог предположить, какая огромная роль принадлежит нуклеиновым кислотам в сохранении разнообразия наследственных признаков организмов.
6. Вещество наследственности
Первые доказательства того, что молекула ДНК заслуживает довольно серьёзного внимания, были получены 1944 году группой бактериологов во главе с Освальдом Эвери. Он много лет изучал пневмококки – микроорганизмы, вызывающие воспаления легких, или пневмонию. Эвери смешивал два вида пневмококков, один из которых вызывал заболевание, а другой – нет. Предварительно болезнетворные клетки убивали, и затем добавляли к ним пневмококки, которые не вызывали заболевание.
Рис. 17. Опыты Эвери и Гриффитса
Результаты опытов были удивительны. Некоторые живые клетки после контакта с убитыми научились вызывать болезнь. Эвери удалось выяснить природу вещества, участвующего в процессе передачи информации от мертвых клеток живым (рис. 17). Этим веществом оказалась молекула ДНК.
7.РНК. Строение РНК
Рибонуклеиновая кислота (РНК) – полимер, мономерами которой являются рибонуклеотиды. Образование полимера происходит так же, как и у ДНК, за счет фосфодиэфирной связи между остатком фосфорной кислоты и рибозой.
Мономеры РНК в составе нуклеотидов содержат пятиуглеродный сахар (пентоза), фосфорную кислоту (остаток фосфорной кислоты) и азотистое основание (см. Рис. 2).
Рис. 2. Строение нуклеотида РНК
Азотистые основания РНК – урацил, цитозин, аденин и гуанин. Моносахарид нуклеотида РНК представлен рибозой (см. Рис. 2).
РНК – одноцепочная молекула значительно меньших размеров, чем молекула ДНК.
Молекула РНК содержит от 75 до 10 000 нуклеотидов.
РНК-содержащие вирусы
Рис. 3. РНК-содержащий вирус
Многие вирусы, например вирус гриппа, содержат в качестве единственной нуклеиновой кислоты молекулу РНК (см. Рис. 3). РНК-содержащих вирусов, болезнетворных для человека, больше, чем ДНК-содержащих. Они вызывают полиомиелит, гепатит А, острые простудные заболевания.
Арбовирусы – вирусы, которые переносятся членистоногими. Являются возбудителями клещевого и японского энцефалита, а также желтой лихорадки.
Реовирусы (см. Рис. 4), редкие возбудители респираторных и кишечных заболеваний человека, стали предметом особого научного интереса из-за того, что их генетический материал представлен в виде двухцепочной молекулы РНК.
Рис. 4. Строение реовируса
Также существуют ретровирусы, которые вызывают ряд онкологических заболеваний.
8.Типы РНК
В зависимости от строения и выполняемой функции различают три основных типа РНК: рибосомную, транспортную и информационную (матричную).
1. Информационная РНК
Как показали исследования, информационная РНК составляет 3-5 % от общего содержания РНК в клетке. Это одноцепочная молекула, которая образовывается в процессе транскрипции на одной из цепей молекулы ДНК. Это связано с тем, что ДНК у ядерных организмов находятся в ядре, а синтез белка происходит на рибосомах в цитоплазме, поэтому возникла необходимость в «посреднике». Функцию «посредника» выполняет матричная РНК, она передает информацию о структуре белка из ядра клеток, где находится ДНК, к рибосомам, где эта информация реализуется (см. Рис. 5).
Рис. 5. Матричная РНК (мРНК)
В зависимости от объема копируемой информации, молекула матричной РНК может иметь различную длину.
Большинство матричных РНК существуют в клетке непродолжительное время. В бактериальных клетках существование таких РНК определяется минутами, а в клетках млекопитающих (в эритроцитах) синтез гемоглобина (белка) продолжается после утраты эритроцитами ядра в течение нескольких дней.
2. Рибосомная РНК
Рибосомные РНК (см. Рис. 6) составляют 80 % от всех рибосом, присутствующих в клетке. Эти РНК синтезируются в ядрышке, а в клетке они находятся в цитоплазме, где вместе с белками образуют рибосомы. На рибосомах происходит синтез белка. Здесь «код», заключенный в матричную РНК, транслируется в аминокислотную последовательность молекулы белка.
Рис. 6. Рибосомная РНК (рРНК)
3. Транспортная РНК
Транспортные РНК (см. Рис. 7) образуются в ядре на ДНК, а затем переходят в цитоплазму.
Рис. 7. Транспортная РНК (тРНК)
На долю таких РНК приходится около 10 % от общего содержания РНК в клетке. Они имеют самые короткие молекулы из 80-100 нуклеотидов.
Транспортные РНК присоединяют к себе аминокислоту и транспортируют ее к месту синтеза белка, к рибосомам.
Все известные транспортные РНК за счет комплементарного взаимодействия между азотистыми основаниями образовывают вторичную структуру, по форме напоминающую лист клевера (см. Рис. 8). В молекуле тРНК есть два активных участка – триплет антикодон на одном конце и акцепторный участок, присоединяющий аминокислоту, на другом.
Рис. 8. Строение тРНК («клеверный лист»)
Каждой аминокислоте соответствует комбинация из трех нуклеотидов, которая носит название триплет.
Рис. 9. Таблица генетического кода
Кодирующие аминокислоты триплеты – кодоны ДНК (см. Рис. 9) – передаются в виде информации триплетов (кодонов) мРНК. У верхушки клеверного листа тРНК располагается триплет нуклеотидов, который комплементарен соответствующему кодону мРНК (см. Рис. 10). Этот триплет различен для тРНК, переносящих разные аминокислоты, и кодирует именно ту аминокислоту, которая переносятся данной тРНК. Он получил название антикодон.
Акцепторный конец является «посадочной площадкой» для определенной аминокислоты.
Таким образом, различные типы РНК представляют собой единую функциональную систему, направленную на реализацию наследственной информации через синтез белка.
Гипотеза РНК мира
Концепция РНК мира заключается в том, что когда-то очень давно молекула РНК могла выполнять функцию как молекулы ДНК, так и белков.
В живых организмах практически все процессы происходят благодаря ферментам белковой природы. Белки, однако, не могут самореплицироваться и синтезируются в клетки на основании информации, заложенной в ДНК. Но и удвоение ДНК происходит только благодаря участию белков и РНК. Следовательно, образуется замкнутый круг, из-за которого в рамках теории возникновения жизни спонтанное возникновение такой сложной системы маловероятно.
В начале 1980-х годов в лаборатории ученых Чека и Олтмена (обладатели нобелевской премии по химии) в США была открыта каталитическая способность РНК. РНК-катализаторы были названырибозимами (см. Рис. 11).
Рис. 11. Структура рибозимомолекулы РНК, выполняющей функцию катализа
Оказалось, что активный центр рибосом тоже содержит большое количество рибосомных РНК. Также РНК способны создавать двойную цепочку и самореплицироваться. То есть РНК могли существовать полностью автономно, катализируя метаболические реакции, например синтеза новых рибонуклеатидов, и самовоспроизводясь, сохраняя из поколения в поколение каталитические свойства. Накопление случайных мутаций привело к появлению РНК, катализирующих синтез определенных белков, являющихся более эффективными катализаторами, в связи с чем эти мутации закреплялись в ходе естественного отбора. Также возникли специализированные хранилища генетической информации – молекула ДНК, а РНК стала посредником между ДНК и белками.