Нуклеиновые кислоты: строение и функции. Биологическая роль нуклеиновых кислот
Нуклеиновые кислоты осуществляют хранение и передачу генетической информации, которую мы наследуем от своих предков. Если у вас есть дети, ваша генетическая информация в их геноме будет рекомбинирована и объединена с генетической информацией вашего партнера. Ваш собственный геном дублируется всякий раз, когда каждая из клеток делится. Кроме того, нуклеиновые кислоты содержат определенные сегменты, называемые генами, которые отвечают за синтез всех протеинов в клетках. Свойства генов контролируют биологические характеристики вашего организма.
Общие сведения
Различают два класса нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновую кислоту (более известную как ДНК) и рибонуклеиновую кислоту (более известную как РНК).
ДНК представляет собой нитевидную цепь генов, которая необходима для роста, развития, жизнедеятельности и размножения всех известных живых организмов и большинства вирусов.
Изменения в ДНК многоклеточных организмов приведет к изменениям у последующих поколений.
ДНК - это биогенетический субстрат, обнаруженный во всех существующих живых существ, от простейших живых организмов до высокоорганизованных млекопитающих.
Многие вирусные частицы (вирионы) содержат в ядре РНК в качестве генетического материала. Однако нужно упомянуть, что вирусы лежат на границе живой и неживой природы, так как без клеточного аппарата хозяина они остаются неактивными.
Историческая справка
В 1869 году Фридрих Мишер выделил ядра из лейкоцитов и обнаружил, что они содержат богатое фосфором вещество, которое он назвал нуклеином.
Герман Фишер в 1880-х годах обнаружил пуриновые и пиримидиновые основания в нуклеиновых кислотах.
В 1884 году Р. Гертвиг предположил, что нуклеины ответственны за передачу наследственных признаков.
В 1899 году Рихард Альтман ввел термин «кислота ядра».
И уже позднее, в 40-х годах 20-го века, ученые Касперссон и Браше обнаружили связь между нуклеиновыми кислотами с синтезом белка.
Нуклеотиды
Полинуклеотиды строятся из множества нуклеотидов - мономеров, соединенных вместе в цепочки.
В строении нуклеиновых кислот выделяют нуклеотиды, каждый из которых имеет в составе:
- Азотистое основание.
- Пентозный сахар.
- Фосфатную группу.
Каждый нуклеотид содержит азотсодержащее ароматическое основание, прикрепленное к пентозному (пятиуглеродному) сахариду, который, в свою очередь, присоединен к остатку фосфорной кислоты. Такие мономеры, соединяясь друг с другом, образуют полимерные цепочки. Они соединены ковалентными водородными связями, возникающими между фосфорным остатком одной и пентозным сахаром другой цепочки. Данные связи называются фосфодиэфирными. Фосфодиэфирные связи формируют фосфатно-углеводный каркас (скелет) как ДНК, так и РНК.
Дезоксирибонуклеотид
Рассмотрим свойства нуклеиновых кислот, находящихся в ядре. ДНК формирует хромосомный аппарат ядра наших клеток. ДНК содержит «программные инструкции» для нормального функционирования клетки. Когда клетка воспроизводит себе подобную, эти инструкции передаются новой клетке в ходе митоза. ДНК имеет вид двухцепочечной макромолекулы, скрученной в двойную спиралевидную нить.
В составе нуклеиновой кислоты присутствует фосфат-дезоксирибозный сахаридный скелет и четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). В двухцепочечной спирали аденин образует пару с тимином (А-Т), гуанин - с цитозином (Г-Ц).
В 1953 году Джеймс Д. Уотсон и Фрэнсис Х.К. Крик предложили трехмерную структуру ДНК, основанную на рентгеновских кристаллографических данных с низким разрешением. Они также ссылались на выводы биолога Эрвина Чаргаффа о том, что в ДНК количество тимина эквивалентно количеству аденина, а количество гуанина эквивалентно количеству цитозина. Уотсон и Крик, заслужившие Нобелевскую премию в 1962 году за свой вклад в науку, выдвинули постулат о том, что две нити полинуклеотидов образуют двойную спираль. Нити, хотя они и идентичны, но закручиваются в противоположных направлениях. Фосфат-углеродистые цепочки расположены на внешней стороне спирали, а основания лежат внутри, где они связываются с основаниями на другой цепочке через ковалентные связи.
Рибонуклеотиды
Молекула РНК существует как одноцепочечная спиралевидная нить. В структуре РНК присутствует фосфат-рибозный углеводный скелет и нитратные основания: аденин, гуанин, цитозин и урацил (У). Когда РНК в ходя транскрипции создается на матрице ДНК, гуанин формирует пару с цитозином (Г-Ц) и аденин с урацилом (А-У).
Фрагменты РНК используются для воспроизведения белков внутри всех живых клеток, что обеспечивает непрерывный их рост и деление.
Существуют две основные функции нуклеиновых кислот. Во-первых, они помогают ДНК, служа посредниками, передающими необходимую наследственную информацию бесчисленному количеству рибосом в нашем теле. Другая основная функция РНК заключается в доставке правильной аминокислоты, необходимой каждой рибосоме для создания нового белка. Выделяют несколько различных классов РНК.
Информационная РНК (иРНК, или мРНК - матричная) представляет собой копию базовой последовательности участка ДНК, полученную в результате транскрипции. Информационная РНК служит посредником между ДНК и рибосомами - органеллами клеток, которые принимают аминокислоты от транспортной РНК, и используют их для построения полипептидной цепи.
Транспортная РНК (тРНК) активирует считывание наследственных данных с матричной РНК, в результате чего запускается процесс трансляции рибонуклеиновой кислоты - синтез белка. Она также переносит нужные аминокислоты к местам, где синтезируется белок.
Рибосомальная РНК (рРНК) является основным строительным материалом рибосом. Она связывает матричный рибонуклеотид в определенном месте, где возможно считать его информацию, тем самым запуская процесс трансляции.
МикроРНК - это небольшие молекулы РНК, выполняющие роль регуляторов многих генов.
Функции нуклеиновых кислот чрезвычайно важны для жизни в целом и для каждой клетки в частности. Почти все функции, которые выполняет клетка, регулируются белками, синтезированными с помощью РНК и ДНК. Ферменты, белковые продукты, катализируют все жизненно важные процессы: дыхание, пищеварение, все виды обмена веществ.
Различия между строением нуклеиновых кислот
| Дезоскирибонуклеотид | Рибонуклеотид | |
| Функция | Долгосрочное хранение и передача наследственных данных | Преобразование информации, хранящейся в ДНК, в белки; транспорт аминокислот. Хранилище наследственных данных некоторых вирусов. |
| Моносахарид | Дезоксирибоза | Рибоза |
| Структура | Двухцепочечная спиралевидная форма | Одноцепочечная спиралевидная форма |
| Нитратные основания | Т, Ц, А, Г | У, Ц, Г, А |
Отличительные свойства оснований нуклеиновых кислот
Аденин и гуанин по своим свойствам являются пуринами. Это значит, что их молекулярная структура включает два конденсированных бензольных кольца. Цитозин и тимин, в свою очередь, относятся к пиримидинам, и имеют одно бензольное кольцо. РНК-мономеры строят свои цепочки используя адениновые, гуаниновые и цитозиновые основания, а вместо тимина они присоединяют урацил (У). Каждое из пиримидиновых и пуриновых оснований имеют свою уникальную структуру и свойства, собственный набор функциональных групп, сцепленных с бензольным кольцом.
В молекулярной биологии приняты специальные однобуквенные сокращения для обозначения азотистых оснований: А, Т, Г, Ц, или У.
Пентозный сахар
В дополнение к различному набору азотистых оснований, ДНК- и РНК-мономеры отличаются входящим в состав пентозным сахаром. Пятиатомный углевод в ДНК - дезоксирибоза, тогда как в РНК - рибоза. Они почти идентичны по строению, лишь с одной разницей: рибоза присоединяет гидроксильную группу, а у дезоксирибозы она замещена атомом водорода.
Выводы
В эволюции биологических видов и непрерывности жизни роль нуклеиновых кислот невозможно переоценить. Как неотъемлемая часть всех ядер живых клеток, они ответственны за активацию всех процессов жизнедеятельности, протекающих в клетках.