Свойства и функции нуклеиновых кислот: строение, самоудвоение молекулы ДНК, типы РНК

Свойства и функции нуклеиновых кислот

Строение нуклеиновых кислот

Прежде чем перейти к строению нуклеиновых кислот, дадим им определение и разберемся со свойствами нуклеиновых кислот.

Кто открыл нуклеиновые кислоты? Открытие макромолекул нуклеиновых кислот связано с именем швейцарского химика Ф. Мишера. В 1869 году он обнаружил их в ядрах лейкоцитов, находящихся в навозе. После этого нуклеиновые кислоты были найдены во всех клетках растений и животных, грибов, а также вирусов и бактерий.

Есть два вида нуклеиновых кислот:

1. Дезоксирибонуклеиновая (ДНК).
2. Рибонуклеиновая (РНК).

Исходя из названий можно предположить, что в молекуле ДНК содержится пентозный сахар дезоксирибоза, а в молекуле РНК — рибоза.

На данный момент известно о множестве вариантов ДНК и РНК, различных по строению нуклеотида и значению в процессе метаболизма.

У каждого живого организма уникальный набор таких кислот, свое строение нуклеотидов РНК и ДНК. Располагаются эти кислоты в разных местах: ДНК в основном находится в хромосомах клеточного ядра, хлоропластах и митохондриях, а РНК — в цитоплазме, ядрышках, пластидах, рибосомах и митохондриях.

Если говорить о строении и функциях ДНК, то молекула ДНК включает две полинуклеотидных цепи, которые относительно одна другой закручены спирально. Расположение таких цепей — антипараллельное: 3-конец и 5-конец.

Нуклеотиды — структурные компоненты или мономеры каждой такой цепи. Число нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот различается. К примеру, в молекулах транспортных РНК их минимум 80, а в ДНК — несколько тысяч.

Разбираясь со строением и функциями ДНК, в каждом нуклеотиде ДНК можно обнаружить дезоксирибозу, остаток фосфорной кислоты, а также одно из четырех азотистых оснований: тимин, гуанин, аденин или цитозин.

Основное различие в строении нуклеотидов ДНК заключено в азотистых основаниях, которые имеют родственные связи. К примеру, тимин, урацил, цитозин — это пиримидиновые, а гуанин и аденин — пуриновые.

Нуклеотиды, находящиеся в полинуклеотидной цепи по соседству, связаны ковалентными связями. Эти связи образуются между дезоксирибозой молекулы ДНК (или рибозой РНК) одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого.

Несмотря на то, что молекула ДНК включает только 4 варианта нуклеотидов, за счет изменения последовательности их расположения в длинной цепи молекулы ДНК получается большое разнообразие нуклеотидов.

При помощи водородных связей происходит объединение двух полинуклеотидных цепей в одну молекулу ДНК. Эти связи образуются между азотистыми основаниями нуклеотидов разных цепей.

Важно отметить определенные соединения нуклеотидов: аденин соединяется только с тимином, а гуанин — с цитозином. Это приводит к одинаковому количеству адениловых и тимидиловых нуклеотидов, гуаниловых и цитидиловых в различных организмах. Эта закономерность получила название «правила Чаргаффа». Так определяется последовательность нуклеотидов в одной цепи в соответствии с их последовательностью в другой.

Стабилизация двойной спирали осуществляется при помощи множества водородных связей (между А и Т образуется 2, а между Г и Ц — три) и гидрофобных взаимодействий.

Молекула нуклеиновых кислот может достигать в длину несколько сотен тысяч нанометров. Это больше чем макромолекула белка — ее длина в развернутом виде не превышает 100-200 нм.

Самоудвоение молекулы ДНК

Одна из особенностей, затрагивающих строение и функции нуклеиновых кислот, это самоудвоение молекулы ДНК.

При четком соблюдении нуклеотидной последовательности перед каждым клеточным делением происходит репликация молекулы ДНК.

Вначале на некоторое время раскручивается двойная спираль ДНК — в результате воздействия ферментов ДНК-топоизомеразы и ДНК-полимеразы. Далее ДНК-полимераза и ДНК-праймаза осуществляют катализацию полимеризации нуклеозидтрифосфатов и образование новой цепи.

Копмлементарное взаимодействие азотистых оснований строящейся матричной цепи (А-Т, Г-Ц) обеспечивают точность репликации. Любая полинуклеотидная цепь — это матрица для новой комплементарной цепи. Как результат — образуются две молекулы ДНК. Одна половина такой молекулы образована от материнской молекулы, а вторая является заново синтезированной.

Новые цепи сразу синтезируются в виде коротких фрагментов, а затем при помощи специального фермента происходит сшивание этих фрагментов в длинные цепи.

Для передачи наследственной информации на клеточном и организменном уровнях этот процесс выступает в качестве основы.

Важная особенность репликации ДНК заключается в высокой точности благодаря специальному комплексу белков — своеобразной репликационной машине.

К функциям нуклеиновых кислот в клетке (или такой машины) относят:

• продуцирование углеводов, которые формируют комплементарную пару с нуклеотидами материнской матричной цепи;
• роль катализатора в процессе образования ковалентной связи между концом растущей цепи и каждым новым нуклеотидом;
• корректировка цепи путем удаления неправильно включенных нуклеотидов.

Это основные функции нуклеиновых кислот, но есть и другие.

Но бывают случаи, когда репликационная машина пропускает или вставляет несколько лишних оснований, включает Ц вместо Т, А вместо Г.

В последующих поколениях клеток эта ошибка будет повторяться, приводя к заметным негативным последствиям.

Типы РНК и их функции

РНК — это одна полинуклеотидная цепь за исключением вирусов, у которых может быть две.

Рибонуклеотиды — это мономеры.

Азотистые основания в нуклеотидах представлены:

• аденином или А;
• гуанином или Г;
• цитозином или Ц;
• урацилом или У.

Моносахарид — это рибоза.

РНК располагается в клетке в ядре (ядрышке), хлоропластах, цитоплазме, митохондриях, рибосомах.

Синтез РНК происходит путем матричного синтеза по принципу комплементарности на одной из цепей ДНК. РНК отличается неспособностью к самоудвоению и лабильностью.

Есть несколько вариантов РНК, отличающихся величиной молекул, структурой, размещением в клетке и функциями.

Осуществляя передачу генетической информации, каждая тРНК присоединяет и переносит к рибосомам (место синтеза белка) только конкретную аминокислоту (к примеру, лизин). При этом для каждой аминокислоты существует больше чем одна тРНК. Насчитывается более 20 различных тРНК — они отличаются первичной структурой, то есть, имеют различную последовательность нуклеотидов.

Примерно 85% всех РНК клетки составляют рибосомальные РНК (рРНК). Находясь в составе рибосом, они выполняют структурную функцию. Кроме того, они участвуют в формировании активного центра рибосомы, в котором в ходе биосинтеза белка происходит образование пептидных связей между молекулами аминокислот.

Также есть информационные или матричные РНК (иРНК). Функция информационной РНК — участие в программировании синтеза белков в клетке. В клетке их содержится около 5% от общей массы всех РНК клетки, что относительно мало.

Но иРНК отводится первостепенное значение, так как именно они непосредственно передают код ДНК для синтеза белков. Важно отметить, что каждый белок клетки кодируется специфической иРНК. Все потому, что РНК в ходе своего синтеза получают информацию от ДНК о структуре белка, представленную скопированной последовательностью нуклеотидов. Для обработки и реализации эта информация переносится к рибосоме.

Значение нуклеиновых кислот (РНК) заключается в том, что они представляют собой функционально объединенную систему, которая нацелена на осуществление в клетке синтеза специфических для нее белков.

Химическое строение и роль АТФ в процессе энергетического обмена

От структуры и функций нуклеиновых кислот переходим к АТФ.

Аденозинтрифосфорная кислота или АТФ есть в любой клетке и располагается она в гиалоплазме (это растворимая фракция цитоплазмы), ядре, хлоропластах и митохондриях.

С ее помощью почти все реакции в клетках обеспечиваются энергией. Благодаря АТФ клетка может двигаться, синтезировать новые молекулы белков, углеродов и жиров, устранять продукты распада, осуществлять активный транспорт и др.

В основе молекулы АТФ — азотистое основание, пятиуглеродный сахар рибоза и три остатка фосфорной кислоты. Высокоэнергетические (макроэргические) связи соединяют в молекуле АТФ фосфатные группы.

После того как отщепляется вторая фосфатная группа, происходит образование аденозинмонофосфорной кислоты (АМФ) и высвобождение еще одной порции энергии.

С помощью освобождаемой во время окисления органических веществ и в процессе фотосинтеза энергии, происходит образование АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Этот процесс получил название фосфориллирования. Важно, чтобы было использовано более 40 кДж/моль АТФ, которая аккумулирована в ее макроэргических связях.

Из этого следует, что в основе процессов дыхания и фотосинтеза лежит поставка энергии для синтеза АТФ, которая обеспечивает осуществление различных процессов в клетке.

Восстановление АТФ происходит довольно быстро. К примеру, у человека каждая молекула АТФ расщепляется и опять возобновляется примерно 2400 раз за сутки. По этой причине в среднем она живет всего одну минуту.

Основное место осуществления синтеза АТФ — митохондрии и хлоропласты. Образованная АТФ поступает в нуждающиеся в энергии участки клетки по каналам эндоплазматического ретикуллума.

Клеточная активность напрямую связана с энергией, освобождаемой в ходе гидролиза АТФ. Около 50% оставшейся энергии, освобожденная в ходе расщепления молекул белков, жиров, углеводов и прочих органических соединений, рассеивается в виде тепла и существенно не влияет на жизнедеятельность клетки.

Представленная выше информация — кратко о нуклеиновых кислотах, строении и функциях ДНК и РНК.