Нуклеиновые кислоты играют важную роль в клетке, обеспечивая ее жизнедеятельность и размножение. Эти свойства дают возможность назвать их вторыми по важности биологическими молекулами после белков. Многие исследователи даже выносят ДНК и РНК на первое место, подразумевая их главное значение в развитии жизни. Тем не менее, им суждено занять второе место после белков, потому как основой жизни является как раз полипетидная молекула.
Нуклеиновые кислоты – это другой уровень жизни, гораздо более сложный и интересный из-за того, что каждый вид молекулы выполняет специфическую для нее работу. В этом следует разобраться подробнее.
Понятие о нуклеиновых кислотах
Все нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) представляют собой биологические гетерогенные полимеры, которые различаются по числу цепей. ДНК представляет собой двухцепочечную полимерную молекулу, которая содержит в себе генетическую информацию эукариотических организмов. Кольцевые молекулы ДНК могут содержать наследственную информацию некоторых вирусов. Это HIV и аденовирусы. Также существует 2 особых вида ДНК: митохондриальная и пластидная (находится в хлоропластах).
РНК же имеет намного больше видов, что обусловлено различными функциями нуклеиновой кислоты. Существует ядерная РНК, которая содержит наследственную информацию бактерий и большинства вирусов, матричная (или информационная РНК), рибосомальная и транспортная. Все они участвуют либо в хранении наследственной информации, либо в экспрессии генов. Однако в том, какие функции в клетке выполняют нуклеиновые кислоты, следует разобраться более детально.
Двуспиральная молекула ДНК
Такой тип ДНК - это совершенная система хранения наследственной информации. Двуспиральная молекула ДНК представляет собой одну молекулу, состоящую из гетерогенных мономеров. Их задачей является образование водородных связей между нуклеотидами другой цепочки. Сам мономер ДНК состоит из азотистого основания, остатка ортофосфата и пятиуглеродного моносахарида дезоксирибозы. В зависимости от того, какой тип азотистого основания лежит в основе определенного мономера ДНК, он имеет свое название. Виды мономеров ДНК:
- дезоксирибоза с остатком ортофосфата и адениловым азотистым основанием;
- тимидиновое азотистое основание с дезоксирибозой и остатком ортофосфата;
- цитозиновое азотистое основание, десоксирибоза и остаток ортофосфата;
- ортофосфат с дезоксирибозой и гуаниновым азотистым остатком.
На письме для упрощения схемы строения ДНК адениловый остаток обозначается как «А», гуаниновый - «Г», тимидиновый - «Т», а цитозиновый - «Ц». Важно, что генетическая информация передается с двухцепочечной молекулы ДНК на информационную РНК. Отличий у нее немного: здесь в качестве углеводного остатка имеется не дезоксирибоза, а рибоза, а вместо тимидилового азотистого основания в РНК встречается урациловый.
Строение и функции ДНК
ДНК построена по принципу биологического полимера, в котором одна цепочка создается заранее по заданному шаблону в зависимости от генетической информации родительской клетки. Нуклеодиды ДНК здесь соединены ковалентными связями. Затем, по принципу комплементарности, к нуклеотидам одноцепочечной молекулы присоединяются другие нуклеотиды. Если в одноцепочечной молекуле начало представлено нуклеотидом аденином, то во второй (комплементарной) цепи ему будет соответствовать тимин. Гуанину комплементарен цитозин. Таким образом строится двухцепочечная молекула ДНК. Она находится в ядре и хранит наследственную информацию, которая закодирована кодонами – триплетами нуклеотидов. Функции двухцепочечной ДНК:
- сохранение полученной от родительской клетки наследственной информации;
- экспрессия генов;
- препятствие изменениям мутационного характера.
Значение белков и нуклеиновых кислот
Считается, что функции белков и нуклеиновых кислот общие, а именно: они участвуют в экспрессии генов. Сама нуклеиновая кислота – это их место хранения, а белок – это конечный результат считывания информации с гена. Сам ген представляет собой участок одной целостной молекулы ДНК, упакованной в хромосому, в котором посредством нуклеотидов записана информация о структуре определенного белка. Один ген кодирует последовательность аминокислот только одного белка. Именно белок будет реализовывать наследственную информацию.
Классификация видов РНК
Функции нуклеиновых кислот в клетке весьма разнообразны. И наиболее многочисленны они в случае с РНК. Однако данная полифункциональность все равно относительная, потому как один тип РНК отвечает за одну из функций. При этом существуют следующие типы РНК:
- ядерная РНК вирусов и бактерий;
- матричная (информационная) РНК;
- рибосомальная РНК;
- матричная РНК плазмид (хлоропластов);
- рибосомальная РНК хлоропластов;
- митохондриальная рибосомальная РНК;
- митохондриальная матричная РНК;
- транспортная РНК.
Функции РНК
В данной классификации содержится несколько типов РНК, которые разделены в зависимости от места нахождения. Однако в функциональном плане их следует разделить всего на 4 вида: на ядерную, информационную, рибосомальную и транспортную. Функцией рибосомальной РНК является синтез белка на основе нуклеотидной последовательности информационной РНК. При этом аминокислоты «подносятся» к рибосомальной РНК, «нанизанной» на информационную РНК, посредством транспортной рибонуклеиновой кислоты. Так протекает синтез у любого организма, у которого есть рибосомы. Структура и функции нуклеиновых кислот обеспечивают и сохранение генетического материала, и создание процессов синтеза белка.
Митохондриальные нуклеиновые кислоты
Если о том, какие функции в клетке выполняют нуклеиновые кислоты, расположенные в ядре или цитоплазме, практически все известно, то о митохондриальной и пластидной ДНК информации пока мало. Здесь же найдены специфические рибосомальные, а также матричные РНК. Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК присутствуют здесь даже у самых аутотрофных организмов.
Возможно, нуклеиновая кислота попала в клетку путем симбиогенеза. Данный путь учеными рассматривается как наиболее вероятный из-за отсутствия альтернативных объяснений. Процесс рассматривается так: внутрь клетки в определенный период попала симбиотная авторофная бактерия. Как результат, эта безъядерная клетка живет внутри клетки и обеспечивает ее энергией, но постепенно деградирует.
На начальных этапах эволюционного развития, вероятно, симбионтная безъядерная бактерия двигала мутационными процессами в ядре клетки-хозяина. Это позволило генам, ответственным за сохранение информации о структуре митохондриальных белков, внедриться в нуклеиновую кислоту клетки-хозяина. Однако пока о том, какие функции в клетке выполняют нуклеиновые кислоты митохондриального происхождения, информации не так много.
Вероятно, в митохондриях синтезируется часть белков, структура которых пока не кодируется ядерной ДНК или РНК хозяина. Также вероятно, что собственный механизм белкового синтеза нужен клетке только потому, что многие белки, синтезированные в цитоплазме, не могут попасть сквозь двойную мембрану митохондрии. При этом данные органеллы вырабатывают энергию, а потому в случае наличия канала или специфического переносчика для белка ее хватит для движения молекул и против градиента концентрации.
Плазмидные ДНК и РНК
В пластидах (хлоропластах) также существует своя ДНК, которая, вероятно, отвечает за реализацию аналогичных функций, как и в случае с митохондриальными нуклеиновыми кислотами. Здесь также находится и своя рибосомальная, матричная и транспортная РНК. Причем пластиды, если судить по количеству мембран, а не по числу биохимических реакций, устроены сложнее. Случается, что многие пластиды имеют по 4 слоя мембран, что объясняется учеными по-разному.
Очевидно одно: функции нуклеиновых кислот в клетке изучены пока недостаточно полно. Неизвестно, какое значение имеет митохондриальная белок синтезирующая система и аналогичная ей хлоропластическая. Также не совсем ясно, зачем клеткам нужны митохондриальные нуклеиновые кислоты, если белки (очевидно, не все) уже закодированы в ядерной ДНК (или РНК, в зависимости от организма). Хотя некоторые факты вынуждают согласиться, что белок синтезирующая система митохондрий и хлоропластов отвечает за такие же функции, что и ДНК ядра и РНК цитоплазмы. Они сохраняют наследственную информацию, воспроизводят ее и передают дочерним клеткам.
Резюме
Важно разбираться в том, какие функции в клетке выполняют нуклеиновые кислоты ядерного, пластидного и митохондриального происхождения. Это открывает множество перспектив для науки, ведь симбионтный механизм, согласно которому появились многие автотрофные организмы, можно воспроизвести и сегодня. Это позволит получить новый тип клетки, возможно, даже человеческой. Хотя о перспективах внедрения многомембранных пластидных органелл в клетки говорить пока рано.
Гораздо важнее понимать, что в клетке нуклеиновые кислоты отвечают практически за все процессы. Это и биосинтез белка, и сохранение информации о структуре клетки. Причем гораздо важнее то, что нуклеиновые кислоты выполняют функцию передачи наследственного материала от родительских клеток к дочерним. Это гарантирует дальнейшее развитие эволюционных процессов.
