Хорошо известно, что все формы живой материи, начиная от вирусов и заканчивая высокоорганизованными животными (в том числе человеком), обладают уникальным наследственным аппаратом. Он представлен молекулами двух видов нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновой и рибонуклеиновой. В этих органических веществах закодирована информация, которая передается от родительских особей к потомству при размножении. В данной работе мы изучим как строение, так и функции ДНК и РНК в клетке, а также рассмотрим механизмы, лежащие в основе процессов передачи наследственных свойств живой материи.
Как оказалось, свойства нуклеиновых кислот, хотя и имеют некоторые общие признаки, тем не менее во многом различаются между собой. Поэтому мы сравним функции ДНК и РНК, осуществляемые этими биополимерами в клетках различных групп организмов. Таблица, представленная в работе, поможет разобраться, в чем состоит их принципиальное отличие.
Нуклеиновые кислоты – сложные биополимеры
Открытия в области молекулярной биологии, происшедшие в начале ХХ столетия, в частности, расшифровка строения дезоксирибонуклеиновой кислоты, послужили толчком для развития современной цитологии, генетики, биотехнологии и генной инженерии. С точки зрения органической химии ДНК и РНК представляют собой высокомолекулярные вещества, состоящие из многократно повторяющихся звеньев – мономеров, называемых также нуклеотидами. Известно, что они соединяются между собой, образуя цепи, способные к пространственной самоорганизации.
Такие макромолекулы ДНК часто связываются со специальными белками, имеющими особые свойства и называемыми гистонами. Нуклеопротеидные комплексы образуют особые структуры - нуклеосомы, которые, в свою очередь, входят в состав хромосом. Нуклеиновые кислоты могут находиться как в ядре, так и в цитоплазме клетки, присутствуя в составе некоторых ее органелл, например, митохондрий или хлоропластов.
Пространственная структура вещества наследственности
Чтобы понять функции ДНК и РНК, нужно детально разобраться с особенностями их строения. Как и белкам, нуклеиновым кислотам присущи несколько уровней организации макромолекул. Первичная структура представлена полинуклеотидными цепями, вторичная и третичная конфигурации самоусложняются благодаря возникающему ковалентному типу связи. Особая роль в поддержании пространственной формы молекул принадлежит водородным связям, а также вандерваальсовым силам взаимодействия. В результате образуется компактная структура ДНК, называемая суперспиралью.
Мономеры нуклеиновых кислот
Строение и функции ДНК, РНК, белков и других органических полимеров зависят как от качественного, так и от количественного состава их макромолекул. Оба вида нуклеиновых кислот состоят из структурных элементов, именуемых нуклеотидами. Как известно из курса химии, строение вещества обязательно влияет на его функции. ДНК и РНК не являются исключением. Оказывается, что от нуклеотидного состава зависит вид самой кислоты и ее роль в клетке. Каждый мономер содержит три части: азотистое основание, углевод и остаток ортофосфорной кислоты. Известно четыре вида азотистых оснований для ДНК: аденин, гуанин, тимин и цитозин. В молекулах РНК ими будут, соответственно, аденин, гуанин, цитозин и урацил. Углевод представлен различными видами пентозы. В рибонуклеиновой кислоте находится рибоза, а в ДНК – ее обескислороженная форма, называемая дезоксирибозой.
Особенности дезоксирибонуклеиновой кислоты
Сначала мы рассмотрим строение и функции ДНК. РНК, имеющая более простую пространственную конфигурацию, будет изучена нами в следующем разделе. Итак, две полинуклеотидные нити удерживаются между собой многократно повторяющимися водородными связями, образующимися между азотистыми основаниями. В паре "аденин - тимин" присутствуют две, а в паре "гуанин - цитозин" - три водородные связи.
Консервативное соответствие пуриновых и пиримидиновых оснований было открыто Э. Чаргаффом и получило название принципа комплементарности. В отдельно взятой цепи нуклеотиды связаны между собой фосфодиэфирными связями, формирующимися между пентозой и остатком ортофосфорной кислоты рядом расположенных нуклеотидов. Спиральный вид обеих цепей поддерживается водородными связями, возникающими между атомами водорода и кислорода, находящимися в составе нуклеотидов. Высшая – третичная структура (суперспираль) - характерна для ядерной ДНК эукариотических клеток. В таком виде она присутствует в хроматине. Однако бактерии и ДНК-содержащие вирусы имеют дезоксирибонуклеиновую кислоту, не связанную с белками. Она представлена кольцеобразной формой и называется плазмидой.
Такой же вид имеет ДНК митохондрий и хлоропластов – органелл растительных и животных клеток. Далее мы выясним, чем отличаются между собой функции ДНК и РНК. Таблица, приведенная ниже, укажет нам эти различия в строении и свойствах нуклеиновых кислот.
Рибонуклеиновая кислота
Молекула РНК состоит из одной полинуклеотидной нити (исключением являются двухцепочные структуры некоторых вирусов), которая может находиться как в ядре, так и в клеточной цитоплазме. Существует несколько видов рибонуклеиновых кислот, которые разнятся между собой строением и свойствами. Так, информационная РНК имеет наибольшую молекулярную массу. Она синтезируется в ядре клетки на одном из генов. Задача иРНК - перенести информацию о составе белка из ядра в цитоплазму. Транспортная форма нуклеиновой кислоты присоединяет мономеры белков – аминокислоты - и доставляет их к месту биосинтеза.
Наконец, рибосомная РНК формируется в ядрышке и участвует в синтезе белка. Как видим, функции ДНК и РНК в клеточном метаболизме разнообразны и очень важны. Они будут зависеть, прежде всего, от того, в клетках каких организмов находятся молекулы вещества наследственности. Так, у вирусов рибонуклеиновая кислота может выступать носителем наследственной информации, тогда как в клетках эукариотических организмов эту способность имеет только дезоксирибонуклеиновая кислота.
Функции ДНК и РНК в организме
По своему значению нуклеиновые кислоты, наряду с белками, являются важнейшими органическими соединениями. Они сохраняют и передают наследственные свойства и признаки от родительской особи к потомству. Давайте определим, чем отличаются между собой функции ДНК и РНК. Таблица, представленная ниже, покажет эти различия подробнее.
| Вид | Место в клетке | Конфигурация | Функция |
| ДНК | ядро | суперспираль | сохранение и передача наследственной информации |
| ДНК | митохондрии хлоропласты | кольцевая (плазмида) | локальная передача наследственной информации |
| иРНК | цитоплазма | линейная | снятие информации с гена |
| тРНК | цитоплазма | вторичная | транспорт аминокислот |
| рРНК | ядро и цитоплазма | линейная | образование рибосом |
Каковы особенности вещества наследственности вирусов?
Нуклеиновые кислоты вирусов могут иметь вид как одно-, так и двухнитевых спиралей или колец. Согласно классификации Д.Балтимора, эти объекты микромира содержат молекулы ДНК, состоящие из одной или двух цепей. К первой группе относятся возбудители герпеса и аденовирусы, а во вторую входят, например, парвовирусы.
Функции ДНК и РНК вирусов заключаются в проникновении собственной наследственной информации в клетку, проведении реакций репликации молекул вирусной нуклеиновой кислоты и сборке белковых частиц в рибосомах клетки-хозяина. В итоге весь клеточный метаболизм оказывается полностью подчинен паразитам, которые, стремительно размножаясь, приводят клетку к гибели.
РНК-содержащие вирусы
В вирусологии принято разделение этих организмов на несколько групп. Так, к первой относятся виды, которые называются одноцепочечными (+) РНК. У них нуклеиновая кислота выполняет такие же функции, как и информационная РНК эукариотических клеток. В другую группу входят однонитевые (-) РНК. Сначала с их молекулами происходит транскрипция, приводящая к появлению молекул(+) РНК, а те, в свою очередь, служат матрицей для сборки вирусных белков.
На основании всего вышесказанного, для всех организмов, включая и вирусы, функции ДНК и РНК кратко характеризуются так: хранение наследственных признаков и свойств организма и дальнейшая передача их потомству.
