Молекулярная биология является одним из важнейших разделов биологических наук и подразумевает детализированное изучение клеток живых организмов и их составляющих. В сферу ее исследований входит множество жизненно важных процессов, таких как рождение, дыхание, рост, смерть.
Бесценным открытием молекулярной биологии стала расшифровка генетического кода высших существ и определение способности клетки хранить и передавать генетическую информацию. Основная роль в этих процессах принадлежит нуклеиновым кислотам, которых в природе различают два вида – ДНК и РНК. Что представляют собой эти макромолекулы? Из чего они состоят и какие биологические функции выполняют?
ДНК расшифровывается как дезоксирибонуклеиновая кислота. Она представляет собой одну из трех макромолекул клетки (две другие – белки и рибонуклеиновая кислота), которая обеспечивает сохранение и передачу генетического кода развития и деятельности организмов. Простыми словами, ДНК – носитель генетической информации. В ее составе содержится генотип индивида, который обладает способностью к самовоспроизводству и передает информацию по наследству.
Как химическое вещество кислота была выделена из клеток еще в 1860-х годах, однако вплоть до середины XX столетия никто и не предполагал, что она способна хранить и передавать информацию.
Долгое время считалось, что эти функции выполняют белки, однако в 1953 году группа биологов сумела значительно расширить понимание сути молекулы и доказать первостепенную роль ДНК в сохранении и передаче генотипа. Находка стала открытием века, а ученые получили за свою работу Нобелевскую премию.
ДНК является крупнейшей из биологических молекул и представляет собой четыре нуклеотида, состоящих из остатка фосфорной кислоты. В структурном отношении кислота достаточно сложная. Ее нуклеотиды соединяются между собой длинными цепями, которые объединяются попарно во вторичные структуры – двойные спирали.
ДНК имеет свойство повреждаться радиацией или различными окисляющими веществами, в силу чего в молекуле происходит процесс мутации. Функционирование кислоты напрямую зависит от ее взаимодействия с еще одной молекулой – белками. Вступая с ними во взаимосвязь в клетке, она образует вещество хроматин, внутри которого осуществляется реализация информации.
РНК – это рибонуклеиновая кислота, содержащая в себе азотистые основания и остатки фосфорных кислот.
Существует гипотеза, что она является первой молекулой, получившей способность к самовоспроизводству еще в эпоху формирования нашей планеты – в добиологических системах. РНК и сегодня входит в геномы отдельных вирусов, выполняя в них ту роль, которую у высших существ играет ДНК.
Рибонуклеиновая кислота состоит из 4-х нуклеотидов, но вместо двойной спирали, как в ДНК, ее цепочки соединяются одинарной кривой. В нуклеотидах содержится рибоза, принимающая активное участие в обмене веществ. В зависимости от способности кодировать белок РНК делятся на матричную и некодирующие.
Первая выступает своего рода посредником в передаче закодированной информации рибосомам. Вторые не могут кодировать белки, но обладают другими возможностями – трансляцией и лигированием молекул.
По своему химическому составу кислоты очень схожи друг с другом. Обе относятся к линейным полимерам и являют собой N-гликозид, созданный из остатков пятеуглеродного сахара. Разница между ними в том, что сахарный остаток РНК – это рибоза, моносахарид из группы пентоз, легко растворяющийся в воде. Сахарный остаток ДНК – это дезоксирибоза, или производная рибозы, имеющая несколько иную структуру.
В отличие от рибозы, формирующей кольцо из 4 атомов углерода и 1 атома кислорода, в дезоксирибозе второй атом углерода замещается водородом. Еще одно отличие между ДНК и РНК заключается в их размерах – более крупная. Кроме этого, среди четырех нуклеотидов, входящих в ДНК, один представляет собой азотистое основание под названием тимин, тогда как в РНК вместо тимина присутствует его разновидность – урацил.
РНК - 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.
Все типы РНК пpедназначены для снятия инфоpмации о стpуктуpе белка с ДНК и обеспечения биосинтеза белка в соответствии с этой инфоpмацией. РНК является одиночной полинуклеотидной цепью, постpоенной из четыpех основных типов pибонуклеотидов - АМФ, ГМФ, ЦМФ и УМФ. Для РНК хаpактеpны миноpные нуклеотиды с необычными азотистыми основаниями - дигидpоуpацил, 3-метилуpацил, 1-метилгуанин и дp. (до 50 типов). Особенно их много в аминоацил-т-РНК (до 10% от всех нуклеотидов). В РНК содеpжание аденина и гуанина не соответствует содеpжанию уpацила и цитозина.
Различают следующие типы РНК:
Инфоpмационная, или матричная РНК (м- или и-РНК), м.м. 25000-1000000 Да, состоит из 75-300 нуклеотидов, синтезиpуется в ядpе из пpе-м-РНК; составляет 5-7% от всей клеточной РНК. Период полужизни несколько минут. На 5’-конце всех эукариотических мРНК имеется особая структура, называемая кэпом . Кэп представляет собой 7-метилгуанозинтрифосфат. Образование кэпа происходит ферментативным путем в ядре еще до завершения транскрипции. Считается, что кэп, с одной стороны, предохраняет 5’-конец мРНК от ее расщепления 5’-экзонуклеазами, с другой стороны, используется для специфического узнавания в системе трансляции. За кэпом следует нетранслируемый участок , в котором (от 3-15 нуклеотидов до инициирующего кодона) располагается последовательность нуклеотидов, комплементарная последовательности рРНК. Ее роль – обеспечение правильного взаимодействия 5’-конца с рибосомой. Завершается транслируемый участок терминирующим кодоном , за которым часто следует гексануклеотид ААУААА. У большинства мРНК 3’-конец содержит полиаденилатную цепочку из 20-250 адениловых нуклеотидов, не являющуюся результатом транскрипции, а присоединяющуюся к мРНК в ходе созревания в ядре ферментативным путем. Предполагается, что полиаденилатная последовательность отвечает за поддержание внутриклеточной стабильности мРНК, определяет ее время существования. Кодовым элементом является тpиплет нуклеотидов (кодон), кодиpующий аминокислоту . Показано, что в линейной молекуле мРНК формируется несколько двухспиральных шпилек, на концах которых располагаются «знаки» инициации и терминации транскрипции. Во втоpичной стpуктуpе - изогнутая цепь; по некоторым данным в тpетичной структуре полинуклеотидная цепь связана (намотана) с тpанспоpтным белком инфоpмофеpом.
Транспортные РНК (тРНК) – около 15%. Транспортные РНК обладают небольшой молекулярной массой (~ 25 000) и содержатся в растворимой фракции цитоплазмы, выполняя функцию переноса аминокислот к месту синтеза белка – рибосоме. Содержат около 75 нуклеотидов. В клетке содержится не менее 20 видов молекул тРНК. Каждый или несколько видов тРНК соответствуют одной из 20 аминокислот, необходимых для биосинтеза белка. Вторичная структура всех тРНК напоминает «клеверный лист » (рис. 12.3) и имеет 4 основных участка. 1) Акцепторный участок имеет на 3" конце последовательность нуклеотидов ЦЦА. К 3"-гидроксильной группе аденозильного остатка происходит присоединение карбоксильной группы аминокислоты. Транспортные тРНК, соединенные с аминокислотами, называют аминоацил-тРНК (аатРНК). Они выполняют адаптерную функцию при переводе трехбуквенного кода нуклеиновых кислот в 20-буквенную последовательность аминокислот в полипептидной цепи. 2) Антикодоновая петля необходима для присоединения к триплету или кодону мРНК. 3) Псевдоуридиловая петля (TψC) состоит из 7 нуклеотидов и содержит остаток псевдоуридина; служит для связывания тРНК с рибосомой; 4) Дигидроуридиновая петля (D) состоит из 8-12 нуклеотидных остатков. Необходима для связывания с аминоацил-тРНК-синтетазой, которая участвует в узнавании аминокислотой своей тРНК. Третичная структура представлена пространственной структурой в виде локтевого сгиба (L-форма).
Рис. 12.3. Строение тРНК
Рибосомные РНК (рРНК) – 80-85%, имеют разную и значительно большую молекулярную массу (35000-1000000, что соответствует 100-3100 нуклеотидам), являются структурными компонентами рибосом.
Рибосомы обеспечивают специфический контакт мРНК и тРНК, в результате которого и происходит трансляция нуклеотидной последовательности, считанной с определенного гена, в аминокислотную последовательность соответствующего белка. Рибосомы млекопитающих состоят из 2-х нуклеопротеиновых субъединиц – большой с константой седиментацией 60S и малой – 40S (у прокариот – соответственно 50S и 30S). 60S-субъединица содержит 5S-рибосомную РНК (рРНК), 5,8S-рРНК и 28S-рРНК. Малая, 40S-убъединица включает единственную 18S-рРНК и около 30 полипептидных цепей. Все рибосомные РНК, за исключением 5S-РНК, имеют общего предшественника – 45S-РНК, локализованную в ядрышке. В ядрышке происходит упаковка высокометилированных рибосомных РНК с рибосомными белками.
Прокариотические рибосомы и рибосомы митохондрий и пластид содержат меньше компонентов, но структурно и функционально очень сходны с эукариотическими. Вторичная структура рРНК образуется за счет коротких двуспиральных участков молекулы – шпилек. Около 2/3 рРНК организовано в шпильки, 1/3 – представлена однотяжевыми участками, богатыми пуриновыми нуклеотидами, с которыми преимущественно связываются белки. Белки рибосом, подобно гистонам, обладают основным характером, выполняют как структурную, так и ферментативную роль.
| Наименование параметра | Значение |
| Тема статьи: | Типы РНК. |
| Рубрика (тематическая категория) | Спорт |
Выделяют три базовых типа РНК, различающихся по структуре, величине молекул, расположению в клетке и выполняемым функциям.
Рибосомные РНК (рРНК ) синтезируются в основном в ядрышке и составляют примерно 85% всех РНК клетки. Οʜᴎ входят в состав рибосом и участвуют в формировании активного центра рибосомы, где происходит процесс биосинтеза белка.
Транспортные РНК (тРНК) образуются в ядре на ДНК, затем переходят в цитоплазму. Οʜᴎ составляют около 10% клеточной РНК и являются самыми небольшими по размеру РНК, состоящими из 70- 100 нуклеотидов. Каждая тРНК присоединяет определенную аминокислоту и транспортирует ее к месту сборки полипептида в рибосоме. Все известные тРНК за счёт комплементарного взаимодействия образуют вторичную структуру, по форме напоминающую лист клевера. В молекуле тРНК есть два активных участка: триплет-антикодон на одном конце и акцепторный конец на другом (рис. 20).
Каждой аминокислоте соответствует комбинация из трех нуклеотидов - триплет. Кодирующие аминокислоты триплеты - кодоны ДНК - передаются в виде информации триплетов (кодонов) иРНК. У верхушки клеверного листа располагается триплет нуклеотидов, который комплементарен соответствующему кодону иРНК. Этот триплет различен для тРНК, переносящих разные аминокислоты, и кодирует именно ту аминокислоту, которая переносится данной тРНК. Он получил название антикодон.
Акцепторный конец является ʼʼпосадочной площадкойʼʼ для аминокислоты.
Информационные, или матричные, РНК (иРНК) составляют около 5% всей клеточной РНК. Οʜᴎ синтезируются на участке одной из цепей молекулы ДНК и передают информацию о структуре белка из ядра клеток к рибосомам, где эта информация реализуется. Учитывая зависимость отобъема копируемойинформации молекула иРНК может иметь различную длину.
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, различные типы РНК представляют из себяединую функциональную систему, направленную на реализацию наследственной информации через синтез белка.
Молекулы РНК находятся в ядре, цитоплазме, рибосомах, митохондриях и пластидах клетки.
Все типы РНК, за исключением генетической РНК вирусов, не способны к самоудвоению и самосборке. Нуклеиновая кислота. Нуклеотид. Дезоксирибонуклеиновая кислота͵ или ДНК. Рибонуклеиновая кислота͵ или РНК. Азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин, урацил. Комплементарность. Транспортная РНК (тРНК). Рибосомная РНК (рРНК). Информационная РНК (иРНК). 1. Какое строение имеет нуклеотид? 2. Какое строение имеет молекула ДНК? 3. В чем заключается принцип комплементарности? 4. Что общего и какие различия имеются в строении молекул 5. ДНК и РНК? 6. Какие типы молекул РНК вам известны? Какова их функция? 7. Фрагмент одной цепи ДНК имеет следующий состав: А-А-Г-Г-Ц-Ц-Ц-Т-Т-. Используя принцип комплементарности, достройте вторую цепь.
В молекуле ДНК тиминов насчитывается 24% от общего числа азотистых оснований. Определите количество других азотистых оснований в этой молекуле.
Нобелевская премия 1962 ᴦ. была присуждена двум ученым - Дж. Уотсону и Ф, Крику, которые в 1953 ᴦ. предложили модель строения молекулы ДНК. Она была подтверждена экспериментально. Это открытие имело огромное значение для развития генетики, молекулярной биологии и других наук. У вирусов, в отличие от других организмов, встречаются одноцепочечные ДНК и двухцепочечные РНК.
Типы РНК. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Типы РНК." 2017, 2018.
За редким исключением все PНK состоят из одиночных полинуклеотидных цепей. Их многомерные единицы - монорибонуклеотиды - содержат пуриновые (см. ПУРИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ)- аденин (см. АДЕНИН)и гуанин (см. ГУАНИН)и пиримидиновые (см. ПИРИМИДИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ)основания - цитозин (см. ЦИТОЗИН)и урацил (см. УРАЦИЛ). Обычно нуклеотиды обозначают начальными буквами названий входящих в их состав оснований на английском или русском (в русскоязычной научной литературе) языках: соответственно А, G (Г), С (Ц) и U (У). Как и в молекулах ДНК, отдельные нуклеотиды связаны между собой 3"- , 5"- фосфодиэфирными связями: остаток фосфорной кислоты служит связующим звеном между 3"-атомом углерода рибозы одного нуклеотида и 5"-атомом углерода рибозы другого (исходя из этого различают 3"-; и 5"-конец молекулы).
Молекулы PНK содержат от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч нуклеотидов. Все РНК способны к формированию вторичной структуры, основным элементом которой являются сравнительно короткие двуцелочечные тяжи, образованные комплементарными основаниями одной и той же молекулы, и связывающие их однотяжевые участки.
Основная роль РНК – непосредственное участие в биосинтезе белка. Известны три вида клеточных РНК, которые отличаются по местоположению в клетке, составу, размерам и свойствам, определяющим их специфическую роль в образовании белковых макромолекул:
информационные (матричные) РНК передают закодированную в ДНК информацию о структуре белка от ядра клетки к рибосомам, где и осуществляется синтез белка;
транспортные РНК собирают аминокислоты в цитоплазме клетки и переносят их в рибосому; молекулы РНК этого типа "узнают" по соответствующим участкам цепи информационной РНК, какие аминокислоты должны участвовать в синтезе белка;
рибосомные РНК обеспечивают синтез белка определенного строения, считывая информацию с информационной (матричной) РНК.
10.Биополимеры – углероды, их классификация, строение и роль в живых организмах.
К углеводам относятся органические вещества, имеющие общую химическую формулу C n (H 2 O) n . По строению углеводы делят на моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Моносахара представляют собой молекулы в виде одного кольца, включающего, как правило, пять или шесть атомов углерода. Пятиуглеродные сахара – рибоза, дезоксирибоза. Шестиуглеродные сахариды – глюкоза, фруктоза, галактоза. Олигосахариды – это результат объединения небольшого числа моносахариды (дисахара, трисахариды и т.п.) наиболее распространенными являются, например, тростниковый (свекловичный) сахар - сахароза, состоящая из двух молекул глюкозы и фруктозы; солодовый сахар – мальтоза, образованная двумя молекулами глюкозы; молочный сахар – лактоза, образован молекулой галактозы и молекулой глюкозы.
Полисахариды – крахмал, гликоген, целлюлоза, состоят из огромного количества моносахаридов, связанных между собой в более или менее разветвленные цепи.
Роль углеводов в клетке.
Энергетическая . Моно - и олигосахариды являются важным источником энергии для любой клетки. Расщепляясь, они выделяют энергию, которая запасается в виде молекул АТФ, которые используется во многих процессах жизнедеятельности клетки и всего организма. Конечными продуктами расщепления всех углеводов являются углекислый газ и вода.
Запасательная. Моно- и олигосахариды благодаря своей растворимости быстро усваиваются клеткой, легко мигрируют по организму, поэтому непригодны для длительного хранения. Роль запаса энергии играют огромные нерастворимые в воде молекулы полисахаридов. У растений, например, это - крахмал, а у животных и грибов – гликоген. Для использования этих запасов организм должен сначала превратить полисахариды в моносахариды.
Строительная . Подавляющее большинство растительных клеток имеют плотные стенки из целлюлозы, обеспечивающей растениям прочность, упругость и защиту от большой потери влаги.
Структурная . Моносахариды могут соединяться с жирами, белками и другими веществами. Например, рибоза входит в состав всех молекул РНК, а дезоксирибоза – в ДНК.
