Рибонуклеиновые кислоты (РНК) и Динуклеотиды

Что такое ДНК и РНК человека простыми словами: Pixabay

В клетках всех живых организмов содержится структура, название которой не выговорить с первого раза. Дезоксирибонуклеиновая кислота содержит генетический код и информацию о РНК и белки. Можно ли назвать ДНК главной структурой в организме и зачем ей сопровождение в виде РНК?

Что такое ДНК человека?

Аббревиатуру ДНК используют для обозначения молекулы под названием дезоксирибонуклеиновая кислота. Она состоит из повторяющихся блоков, называемых нуклеотидами (органические соединения), поэтому на картинке выглядит как спираль с поперечными полосками.

В этих частичках содержится генетический код, который определяет характеристики человека — телосложение, рост, цвет глаз, волос. У каждого человека уникальная ДНК. Она идентична только у однояйцевых близнецов. Своя ДНК есть у животных и растений.

Какая структура ДНК человека? Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты состоит из четырех видов нуклеотидов:

• аденин;
• тимин;
• цитозин;
• гуанин.

Эти блоки склеиваются между собой по определенным правилам: аденин может связываться только с тимином, а цитозин — только с гуанином.

Притяжение между нуклеотидами связывает две нити, входящие в состав ДНК.

Таким образом, по одной части цепи молекулы всегда можно восстановить вторую: напротив аденина находится тимин, напротив гуанина — цитозин. Такое взаимосоответствие называется комплементарностью.

Что такое ДНК человека: Pixabay

Именно так кодируется информация обо всех признаках организма. От комбинации нуклеотидов зависит, как будет выглядеть человек. Совокупность генетического материала называется геномом человека. Хранение, реализация и передача наследственной информации — задача хромосомы (структура в клеточном ядре).

ДНК как химическое вещество было открыто Фридрихом Мишеров в 1869 году, как указано в статье Петтера Портина. Ученые научились расшифровывать генетическую информацию только в конце ХХ века. Затем ученые сумели извлечь из хромосомы ДНК, разрезать ее на части и сшить произвольным образом, используя ферменты.

Так зародилась генная инженерия, началось производство новых организмов со встроенными чужими генами — ГМО (генетически модифицированный организм). Что касается безопасности продуктов с ГМО, то мнения ученых расходятся, как объясняет Брунильда Назарио из WebMD.

Что такое РНК человека?

РНК — рибонуклеиновая кислота, одна из трех молекул, содержащихся в клеточном ядре. Она участвует в кодировании и выражении генов. Состоит она из длинной цепи, звенья которой называются нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из рибозы, азотистого основания и фосфатной группы. Генетическая информация зашифрована в последовательности нуклеотидов.

Что такое РНК человека: Pixabay

РНК синтезируется в клетках всех живых организмов. Они выполняют функцию трансляции генетической информации в белки, а также дополнительные задачи — транспортировка аминокислот в рибосомы, синтез белка и другие. Поддержку стабильности генома в процессе передачи и синтеза обеспечивают РНК-связывающие белки.

Что общего у ДНК и РНК человека? Обе структуры — это большие молекулы, состоящие из нуклеотидов. В них содержится генетическая информация. Их функции взаимосвязаны. ДНК передает генетическую информацию в цитоплазму (внутреннюю среду) клетки, где при участии РНК происходит синтез белка.

Между ДНК и РНК есть несколько отличий:

1. В составе ДНК находится сахар дезоксирибоза, а в РНК — рибоза.
2. Рибоза более подвержена разложению при контакте с водой, поэтому молекула РНК менее стабильна. Дезоксирибоза защищена гидроксильной капсулой, поэтому более устойчива. Благодаря надежности ДНК больше подходит для хранения генетической информации.
3. В азотистом основании ДНК и РНК есть разные компоненты. Так, в РНК аденину соответствует урацил, а в ДНК — тимин.
4. Отличаются эти макромолекулы и по форме. ДНК представляет собой двойную спираль, которая состоит из двух отдельных молекул. РНК — одиночная и более короткая спираль.

ДНК и РНК — нуклеиновые кислоты, сходные по составу, но различные по функциям. Первая структура отвечает за хранение наследственной информации, вторая — за кодирование информации и передачу информации к месту синтеза белка.

Внимание! Материал носит лишь ознакомительный характер. Не следует прибегать к описанным в нем методам лечения без предварительной консультации с врачом.

1. Петтер Поттин. Рождение и развитие теории наследования ДНК: шестьдесят лет с момента открытия структуры ДНК // Журнал генетики. — 2014. — Апрель. — Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/262538782_The_birth_and_development_of_the_DNA_theory_of_inheritance_Sixty_years_since_the_discovery_of_the_structure_of_DNA
2. Brunilda Nazario. What You Need to Know About GMOs // WebMD. — 2015. — Режим доступа: https://www.webmd.com/food-recipes/features/truth-about-gmos
3. Exercise improves health through changes on DNA. Rewiev // Sciencedaily. — 2021. — 21 august. — Режим доступа: https://www.sciencedaily.com/releases/2021/08/210802114943.htm

Оригинал статьи: https://www.nur.kz/health/healthy-lifestyle/1779970-cto-takoe-dnk-i-rnk-celoveka/

РИБОНУКЛЕИ́НОВЫЕ КИСЛО́ТЫ

Авторы: А. А. Богданов

РИБОНУКЛЕИ́НОВЫЕ КИСЛО́ТЫ (РНК), класс нук­леи­но­вых ки­слот. Так же как и де­зок­си­ри­бо­нук­леи­но­вые ки­сло­ты (ДНК) – био­по­ли­ме­ры, в нук­лео­тид­ной по­сле­до­ва­тель­но­сти ко­то­рых мо­жет быть за­пи­са­на ге­не­тич. ин­фор­ма­ция.

В то же вре­мя они вы­пол­ня­ют в клет­ке мно­гие дру­гие, ха­рак­тер­ные для бел­ков функ­ции: фер­мен­та­тив­ные (см. Ри­бо­зи­мы), ре­гу­ля­тор­ные, транс­порт­ные, за­щит­ные и струк­ту­ро­об­ра­зую­щие. В клет­ке и ви­рус­ных час­ти­цах РНК все­гда свя­за­ны с бел­ка­ми, т. е.

функ­цио­ни­ру­ют в ви­де ри­бо­нук­ле­о­про­теи­но­вых ком­плек­сов.

РНК от­кры­ты в 1889 нем. гис­то­ло­гом Р. Альт­ма­ном в дрож­жах. В по­сле­дую­щие 60 лет ус­та­нов­ле­на хи­мич. струк­ту­ра РНК и до­ка­за­но, что они при­сут­ст­ву­ют в ци­то­плаз­ме лю­бой жи­вой клет­ки, вы­пол­няя клю­че­вую роль в био­син­те­зе бел­ков; РНК бы­ли об­на­ру­же­ны так­же в ви­ру­сах рас­те­ний и жи­вот­ных.

Строение РНК

В от­ли­чие от ДНК, все кле­точ­ные и боль­шин­ст­во ви­рус­ных РНК пред­став­ля­ют со­бой ли­ней­ные од­но­тя­же­вые по­ли­ри­бо­нук­ле­о­ти­ды. Они по­строе­ны из че­ты­рёх ви­дов нук­лео­зид­ных ос­тат­ков (н. о.

) – аде­но­зи­на (А), гуа­но­зи­на (G), ци­ти­ди­на (С) и ури­ди­на (U), свя­зан­ных друг с дру­гом 3'–5'-фос­фо­ди­эфир­ны­ми свя­зя­ми. Уг­ле­вод­ные ос­тат­ки в РНК пред­став­ле­ны D-ри­бо­зой. Не­ко­то­рые ви­ды РНК со­дер­жат не­боль­шое ко­ли­че­ст­во т. н. ми­нор­ных нук­лео­ти­дов, в осн.

псев­до­ури­ди­ло­вую ки­сло­ту (ψ), и нук­лео­тид­ные зве­нья, ме­ти­лиро­ван­ные по ос­тат­кам ри­бо­зы или ге­те­ро­цик­лич. ос­но­ва­ний. Дли­на по­ли­нук­лео­тид­ных це­пей РНК ко­леб­лет­ся от не­сколь­ких де­сят­ков до не­сколь­ких ты­сяч нук­лео­тид­ных ос­тат­ков. На­ко­п­ле­на зна­чит.

ин­фор­ма­ция о нук­лео­тид­ных по­сле­до­ва­тель­но­стях (н. п.

), или пер­вич­ной струк­ту­ре, РНК; её по­лу­ча­ют ли­бо пря­мым се­к­ве­ни­ро­ва­ни­ем ин­ди­ви­ду­аль­ных РНК, ли­бо ана­ли­зи­руя транс­крип­то­мы, в ко­то­рых пред­став­ле­ны все РНК, син­те­зи­рую­щие­ся в дан­ный мо­мент в клет­ке, ли­бо вы­во­дят тео­ре­ти­че­ски из н. п. ДНК, в ко­то­рых РНК ко­ди­ро­ва­ны. Ана­лиз мас­си­вов дан­ных о н. п. РНК осу­ще­ст­в­ля­ет­ся ме­то­да­ми био­ин­фор­ма­ти­ки.

Прин­ци­пы ор­га­ни­за­ции мак­ро­мо­ле­ку­ляр­ной струк­ту­ры РНК сфор­му­ли­ро­ва­ны на ру­бе­же 1950–60-х гг. Ж. Фре­ско и П. До­ти (США) и А. С. Спи­ри­ным. Бы­ло по­сту­ли­ро­ва­но, что осн.

эле­мен­том вто­рич­ной струк­ту­ры РНК яв­ля­ют­ся ко­рот­кие, за­час­тую не­со­вер­шен­ные (с «вы­пет­ли­ва­ния­ми») ан­ти­па­рал­лель­ные двой­ные спи­ра­ли, об­ра­зуе­мые за счёт ком­пле­мен­тар­ных взаи­мо­дей­ст­вий смеж­ных уча­ст­ков по­ли­нук­лео­тид­ной це­пи.

Дву­спи­раль­ные уча­ст­ки РНК фор­ми­ру­ют­ся как за счёт стан­дарт­но­го уот­сон-кри­ковско­го спа­ри­ва­ния ос­но­ва­ний (G-C и A-U), так и за счёт об­ра­зо­ва­ния срав­ни­тель­но не­боль­шо­го ко­ли­че­ст­ва не­стан­дарт­ных пар (G-U, G-A, U-U, A-C).

При ком­пакт­ном сво­ра­чи­ва­нии це­пи дву­спи­раль­ные об­лас­ти в РНК мо­гут быть об­ра­зо­ва­ны не толь­ко ме­ж­ду со­сед­ни­ми сег­мен­та­ми, но и ме­ж­ду дос­та­точ­но уда­лён­ны­ми об­лас­тя­ми по­ли­нук­лео­тид­ной це­пи. С од­но­го края дву­спи­раль­ные уча­ст­ки замк­ну­ты од­но­тя­же­вы­ми сег­мен­та­ми разл.

дли­ны и т. о. име­ют вид «шпиль­ки»; со­сед­ние «шпиль­ки» так­же свя­за­ны друг с дру­гом од­но­тя­же­вы­ми уча­ст­ка­ми. До­ка­за­но, что та­кой спо­соб ор­га­ни­за­ции вто­рич­ной струк­ту­ры яв­ля­ет­ся уни­вер­саль­ным для всех од­но­тя­же­вых РНК.

Эле­мен­ты вто­рич­ной струк­ту­ры РНК взаи­мо­дей­ст­ву­ют друг с дру­гом, в ре­зуль­та­те че­го фор­ми­ру­ет­ся ком­пакт­ная уни­каль­ная тре­тич­ная струк­ту­ра РНК. Тре­тич­ные кон­так­ты в РНК соз­да­ют­ся взаи­мо­дей­ст­ви­ем её од­но­тя­же­вых сег­мен­тов друг с дру­гом и с дву­спи­раль­ны­ми сег­мен­та­ми.

При­ме­ром дос­та­точ­но ши­ро­ко рас­про­стра­нён­но­го тре­тич­но­го кон­так­та в РНК мо­гут слу­жить т. н. А-ми­нор­ные взаи­мо­дей­ст­вия, ко­гда ос­но­ва­ния аде­ни­ло­вых н. о. од­но­тя­же­вых сег­мен­тов РНК встраи­ва­ют­ся в же­лоб­ки спи­раль­ных рай­онов РНК, об­ра­зуя там спе­ци­фич. во­до­род­ные свя­зи.

Тре­тич­ная струк­ту­ра РНК ста­би­ли­зи­ру­ет­ся бел­ка­ми и ио­на­ми маг­ния. Ны­не из­вест­ны про­стран­ст­вен­ные струк­ту­ры разл.

РНК как в сво­бод­ном, так и в свя­зан­ном с бел­ка­ми со­стоя­нии, по­лу­чен­ные с атом­ным раз­ре­ше­ни­ем ме­то­да­ми ядер­но­го маг­нит­но­го ре­зо­нан­са и рент­ге­но­ст­рук­тур­но­го ана­ли­за.

Биосинтез РНК

Все кле­точ­ные РНК об­ра­зу­ют­ся в ре­зуль­та­те транс­крип­ции ге­нов, в ко­то­рых они ко­ди­ро­ва­ны, с по­мо­щью фер­мен­тов РНК-по­ли­ме­раз. Про­цесс транс­крип­ции про­те­ка­ет по прин­ци­пу ком­пле­мен­тар­но­го ко­пи­ро­ва­ния од­ной из це­пей дву­спи­раль­ной ДНК; т. о.

, РНК пред­став­ля­ют со­бой по­ли­ри­бо­нук­ле­о­тид­ную ко­пию од­ной из це­пей ДНК и ком­пле­мен­тар­ны дру­гой её це­пи. Про­цес­сы био­син­те­за ви­рус­ных РНК весь­ма раз­но­об­раз­ны, и для ви­ру­са им­му­но­де­фи­ци­та че­ло­ве­ка (ВИЧ), напр.

, вклю­ча­ют ста­дию син­те­за на РНК как на мат­ри­це од­но­тя­же­вой ДНК (об­рат­ная транс­крип­ция) с по­сле­дую­щим пре­вра­ще­ни­ем её в дву­спи­раль­ную ДНК и ин­те­гра­ци­ей по­след­ней в ге­ном клет­ки. В слу­чае др.

РНК-со­дер­жа­щих ви­ру­сов реа­ли­зу­ет­ся ме­ха­низм РНК-ре­п­ли­ка­ции, ко­гда на ви­ри­он­ной РНК син­те­зи­ру­ет­ся ком­пле­мен­тар­ная цепь, а об­ра­зую­щая­ся дву­спи­раль­ная РНК слу­жит мат­ри­цей для по­сле­дую­ще­го син­те­за точ­ной ко­пии ви­русной РНК.

Все кле­точ­ные РНК и РНК мн. ви­ру­сов син­те­зи­ру­ют­ся в ви­де пред­ше­ст­вен­ни­ков, су­ще­ст­вен­но пре­вы­шаю­щих по дли­не «зре­лые» РНК. РНК-пред­ше­ст­вен­ник под­вер­га­ет­ся спе­ци­фич. для ка­ж­до­го ви­да РНК и тон­ко ре­гу­ли­руе­мо­му про­цес­син­гу.

Ес­ли ге­ны, ко­ди­рую­щие дан­ную РНК, со­дер­жат ин­тро­ны, пер­вич­ный транс­крипт под­вер­га­ет­ся сплай­син­гу (в т. ч. аль­тер­на­тив­но­му). Как пра­ви­ло, РНК-пред­ше­ст­вен­ник «раз­ре­за­ет­ся» спе­ци­фич. эн­до­нук­леа­за­ми на фраг­мен­ты, ко­то­рые уко­ра­чи­ва­ют­ся со­от­вет­ст­вую­щи­ми эк­зо­нук­леа­за­ми.

Во мно­гих слу­ча­ях вслед за этим про­ис­хо­дит мо­ди­фи­ка­ция кон­цов мо­ле­ку­лы РНК, напр. кэ­пи­ро­ва­ние 5′-кон­цов (при­сое­ди­не­ние ос­тат­ка 7-ме­тил­гуа­но­зи­на) эу­ка­рио­тич. мат­рич­ных ри­бо­нук­леи­но­вых ки­слот (мРНК) и по­ли­аде­ни­ли­ро­ва­ние их 3′ -кон­цов.

Ре­гу­ля­ция био­син­те­за РНК про­ис­хо­дит на всех ста­ди­ях транс­крип­ции и про­цес­син­га с по­мо­щью спец. ре­гу­ля­тор­ных бел­ков. Кро­ме то­го, в со­став самих РНК мо­гут вхо­дить эле­мен­ты, пред­на­зна­чен­ные для ре­гу­ля­ции их син­те­за.

Нук­лео­тид­ная по­сле­до­ва­тель­ность РНК мо­жет быть под­верг­ну­та ре­дак­ти­ро­ва­нию. Так, в мРНК, син­те­зи­рую­щей­ся в ми­то­хон­д­ри­ях три­па­но­со­мы, про­ис­хо­дит встав­ка боль­шо­го чис­ла ури­ди­ло­вых ос­тат­ков, не­ко­ди­ро­ван­ных в ДНК, в ре­зуль­та­те че­го её ин­фор­мац. со­дер­жа­ние кар­ди­наль­но из­ме­ня­ет­ся.

Ре­дак­ти­ру­ют­ся так­же транс­крип­ты мн. ге­нов че­ло­ве­ка и жи­вот­ных. В этом слу­чае про­ис­хо­дит за­ме­на (пу­тём де­за­ми­ни­ро­ва­ния) оп­ре­де­лён­ных еди­нич­ных ос­тат­ков А в мРНК на ос­тат­ки ино­зи­на (I), а так­же С на U.

Разнообразие РНК и их функций

РНК при­ня­то под­раз­де­лять на ко­ди­рую­щие и не­ко­ди­рую­щие. Сре­ди ко­ди­рую­щих РНК гл. ме­сто за­ни­ма­ют мРНК. В со­от­вет­ст­вии с «центр. дог­мой» мо­леку­ляр­ной био­ло­гии (ДНК – РНК – бе­лок) они пе­ре­но­сят ге­не­тич.

ин­фор­ма­цию от ДНК к ри­бо­со­мам, где она де­ко­ди­ру­ет­ся и реа­ли­зу­ет­ся в ви­де ами­но­кис­лот­ных по­сле­до­ва­тель­но­стей бел­ков.

Ко­ди­рую­щей функ­ци­ей об­ла­да­ет РНК-ком­по­нент фер­мен­та те­ло­ме­ра­зы (те­ло­ме­раз­ная РНК), оп­ре­де­лён­ный сег­мент ко­то­рой слу­жит мат­ри­цей для син­те­за те­ло­мер­ных ДНК-по­вто­ров на кон­цах ли­ней­ных хро­мо­сом. Со спе­ци­фич. бел­ка­ми свя­за­на так­же ко­рот­кая мат­рич­ная РНК, на­зы­вае­мая на­прав­ляю­щей РНК (англ.

guide RNA), уча­ст­вую­щая в про­цес­се ре­дак­ти­ро­ва­ния мРНК. Она оп­ре­де­ля­ет, в ка­кие уча­ст­ки мРНК бу­дут вве­де­ны до­пол­нит. ос­тат­ки U.

У всех бак­те­рий су­ще­ст­ву­ет транс­порт­но-мат­рич­ная РНК (тмРНК), ко­ди­рую­щая ко­рот­кий пеп­тид, на­ра­щи­вае­мый на С-кон­цы де­фект­ных бел­ков, син­тез ко­то­рых по ка­кой-то при­чи­не не смог­ли до­ве­сти до кон­ца ри­бо­со­мы. Ко­ди­руе­мый тмРНК пеп­тид слу­жит сиг­на­лом для про­те­аз, унич­то­жаю­щих де­фект­ные бел­ки. Т. о., в этом слу­чае РНК осу­ще­ст­в­ля­ет кон­троль ка­че­ст­ва бел­ков, син­те­зи­руе­мых бак­те­ри­аль­ной клет­кой. К ко­ди­рую­щим РНК от­но­сят­ся все ви­рус­ные РНК, ко­то­рые слу­жат мат­ри­ца­ми для син­те­за ДНК и РНК, а так­же ви­рус­ных бел­ков.

К чис­лу не­ко­ди­рую­щих РНК от­но­сит­ся груп­па, фор­ми­рую­щая бе­лок­син­те­зи­рую­щий ап­па­рат клет­ки. Бо­лее 80% РНК лю­бой клет­ки пред­став­ле­но ри­бо­сом­ны­ми ри­бо­нук­леи­но­вы­ми ки­сло­та­ми (рРНК) – гл. струк­тур­ны­ми и функ­цио­наль­ны­ми ком­по­нен­та­ми ри­бо­сом.

Функ­цию де­ко­ди­ро­ва­ния ге­не­тич. ин­фор­ма­ции на ри­бо­со­мах под кон­тро­лем рРНК осу­ще­ст­в­ля­ют транс­порт­ные ри­бо­нук­леи­но­вые ки­сло­ты (тРНК). Они пе­ре­но­сят в ри­бо­со­му ами­но­кис­лот­ные ос­тат­ки для син­те­за бел­ков.

Ко­гда ри­бо­со­мы син­те­зи­ру­ют сек­ре­тор­ные или мем­бран­ные бел­ки, с ни­ми ас­со­ции­ро­ва­ны сиг­нал­уз­наю­щие РНК-бел­ко­вые ком­плек­сы – т. н. SRP (от англ. signal recognition particles). В этих час­ти­цах РНК вы­пол­ня­ют роль кар­ка­са, на ко­то­ром со­би­ра­ют­ся бел­ки, рас­по­знаю­щие спец.

сиг­наль­ные по­сле­до­ва­тель­но­сти в син­те­зи­рую­щих­ся по­ли­пеп­тид­ных це­пях.

В ре­гу­ля­ции про­цес­сов транс­крип­ции и транс­ля­ции в клет­ке при­ни­ма­ют уча­стие мно­го­числ. низ­ко­мо­ле­ку­ляр­ные, или ма­лые, и вы­со­ко­мо­ле­ку­ляр­ные, или длин­ные, не­ко­ди­рую­щие РНК (мнкРНК и длнкРНК со­от­вет­ст­вен­но). Не­ко­то­рые из них об­ла­да­ют ри­бо­зим­ной ак­тив­но­стью и уча­ст­ву­ют в про­цес­син­ге др. РНК (напр.

, РНК-ком­по­нент бак­те­ри­аль­ной ри­бо­нук­леа­зы). В яд­рах кле­ток эу­ка­ри­от при­сут­ст­ву­ет се­мей­ст­во из 6–7 ма­лых ядер­ных РНК (мяРНК), вы­пол­няю­щих гл. функ­цию на всех ста­диях сплай­син­га мРНК. Воз­мож­но, не­ко­то­рые из них об­ла­да­ют ри­бо­зим­ной ак­тив­но­стью. мнкРНК, ло­ка­ли­зую­щие­ся в яд­рыш­ках эу­ка­рио­тич.

кле­ток, от­ве­ча­ют за спе­ци­фич. ме­ти­ли­ро­ва­ние пред­ше­ст­вен­ни­ков рРНК, за пре­вра­ще­ние в них оп­ре­де­лён­ных ос­тат­ков ури­ди­на в псев­до­ури­дин; они иг­ра­ют клю­че­вую роль в РНК-ин­тер­фе­рен­ции. Мно­гие из длнкРНК транс­кри­би­ру­ют­ся с це­пи ДНК, про­ти­во­по­лож­ной ко­ди­ру­щей мРНК.

Об­ра­зуя ком­пле­мен­тар­ные ком­плек­сы с мРНК вме­сте со спе­ци­фич. бел­ка­ми, они пол­но­стью или час­тич­но по­дав­ля­ют экс­прес­сию ге­нов на уров­не транс­ля­ции. Не­ко­ди­рую­щи­ми РНК пред­став­ле­ны транс­крип­ты су­ще­ст­вен­но боль­шей час­ти ге­но­мов всех ор­га­низ­мов, чем ко­ди­рую­щи­ми, т. е.

раз­но­об­ра­зие та­ких РНК в де­сят­ки раз пре­вы­ша­ет раз­но­об­ра­зие ин­ди­ви­ду­аль­ных бел­ков в клет­ке.

От­кры­тие у РНК столь вы­со­кой струк­тур­ной и функ­цио­наль­ной пла­стич­но­сти, в ча­ст­но­сти спо­соб­но­сти к са­мо­вос­про­из­ве­де­нию и са­мо­пре­вра­ще­ни­ям, по­зво­ля­ет пред­по­ла­гать, что при за­ро­ж­де­нии жиз­ни на Зем­ле эта нук­леи­но­вая ки­слота бы­ла пер­вым ин­фор­мац. био­по­ли­ме­ром, пред­ше­ст­во­вав­шим по­яв­ле­нию ДНК и бел­ков.

Глава 3.Строение и свойства рибонуклеиновых кислот

Рибонуклеиновые
кислоты повсеместно распространены в
живой природе. Они находятся во всех
микроорганизмах, растительных и животных
клетках и являются носителями
наследственной информации во многих
вирусах. С чем это связано? Почему РНК,
как и ДНК присутствует во всех клетках?

Биологическая
функция РНК обусловлена тем, что они
обеспечивают реализацию в клетке
наследственной информации, которая
передается с помощью ДНК.

В клетке существует
три главных типа РНК: информационная
РНК (иРНК),
рибосомная РНК (рРНК) и транспортная
РНК (тРНК). Рибосомная РНК составляет
около 80—82 % от содержания суммарной
клеточной РНК, тРНК — 15-16 % и иРНК — 2-10
%. В некоторых клетках содержание иРНК
относительно общей массы РНК составляет
тысячные доли процента.

В отличие от ДНК
молекулы всех трех типов РНК одноцепочечные,
что является одной из важных особенностей
РНК. Содержание РНК в клетке в пересчете
на массу в 5—10 раз выше, чем ДНК. Каждый
из типов РНК характеризуется определенным
нуклеотидным составом, что определяет
их свойства. Они имеют также различную
молекулярную массу.

В бактериальной
клетке почти вся РНК расположена в
цитоплазме. В клетках высших организмов
часть РНК находится в различных
органеллах.

РНК входит в состав
всех вирусов растений, в частности
вируса табачной мозаики, некоторых
вирусов бактерий, например бактериофаг кишечной палочки, и некоторых вирусов
животных, например, вируса полиомиелита.

СТРУКТУРА РИБОНУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Нить РНК — это
последовательность рибонуклеотидов,
соединенных в одну цепь. РНК имеет
линейную структуру молекулы с огромным
числом входящих в нее составляющих
элементов. Рибонуклеотиды соединены
так, что образуют неразветвленную нить
большой длины.

Углеводный компонент
РНК представлен рибозой. Так как рибоза
относится к классу пентоз, то с этим
было связано и первоначальное название
РНК — пентозонуклеиновые кислоты. Но
такое название не закрепилось в
терминологии, так как пентозы — это
широкий класс соединений, а рибоза
является всего лишь их частным случаем.
В РНК же содержится из всего класса
пентоз только рибоза.

Азотистыми
основаниями РНК являются аденин и гуании
из класса пуриновых оснований и цитозин
и урацил из класса пиримидиновых
оснований.

Отличительной
особенностью РНК от ДНК является то,
что для нее не характерно устойчивое
спиральное строение.

Структура РНК
определяется последовательностью
рибонуклеотидов. Эта последовательность
рибонуклеотидов в цепи называется
первичной структурой РНК. Первичная
структура строго специфична и уникальна
для каждого вида РНК.

Первичная структура
РНК представляет собой своеобразную
запись биологической информации,
закодированную в РНК определенным
набором рибонуклеотидов, и определяет
вторичную структуру, которая проявляется
в закручивании нити РНК в спираль.
Третичная структура также определяется
первичной структурой и представляет
собой пространственное расположение
всей молекулы РНК.

Третичная структура
включает вторичную структуру и те
фрагменты полинуклеотидной цепи, которые
соединяют один участок вторичной
структуры с другим. Это взаиморасположение
и связь фрагментов РНК.

Вторичная и
третичная структуры РНК формируются
преимущественно за счет водородных
связей и гидрофобных взаимодействий
между азотистыми рибонуклеиновыми
основаниями. Термин “гидрофобный”
означает, что данное вещество или группа
элементов в одном из участков молекулы
отталкивает воду.

Термин “гидрофильный”
применяют по отношению к веществу или
группе элементов, притягивающих воду.
Молекулы гидрофобного вещества
воздействуют силами электронного
притяжения на молекулы углеводородов.

От количества и расположения водородных
связей и контактов гидрофобного
взаимодействия зависит пространственное
расположение (конфигурация) всей молекулы
рибонуклеиновой кислоты.

ИНФОРМАЦИОННАЯ
РИБОНУКЛЕИНОВАЯ КИСЛОТА

Информационная
РНК программирует синтез белков клетки.
Несмотря на относительно низкое
процентное содержание в общей массе
РНК клетки, иРНК по значению стоит на
первом месте. Информационная РНК
осуществляет непосредственную передачу
кода ДНК для синтеза клеточных белков,

Соответственно
тому, что молекулы иРНК используются
для синтеза разных белков, они представлены
многими видами, которые, естественно,
отличаются по своей последовательности
нуклеотидов и молекулярной массе.

Каждый
белок клетки кодируется специфической
иРНК или специфическим участком этой
молекулы. Каждый белок требует
соответствующей ему иРНК. Поэтому иРНК
характеризуются значительной
разнородностью.

Эта группа разных по
размеру молекул, масса которых может
колебаться от 104
до 2*106
.

Биосинтез иРНК
осуществляется в ядре в процессе
транскрипции. В ходе транскрипции
строится нуклеотидная последовательность
иРНК, соответствующая нуклеотидной последовательности одной из цепей ДНК
хромосомы. Транскрипция осуществляется
ферментативным путем.

По сути дела,
транскрипцию можно представить как
перевод генетической информации,
заключенной в последовательности
нуклеотидов ДНК, в последовательность
нуклеотидов иРНК. Отличие от биосинтеза
ДНК здесь заключается в том, что строится
одиночная нить иРНК.

Азотистые основания
иРНК комплементарны азотистым основаниям
соответствующего участка, с которого
происходит переписывание генетической
информации. После окончания транскрипции
иРНК переходит на рибосомы, где с нее
происходит считывание информации в
последовательность аминокислот растущей
полипептидной цепи.

Последовательность
триплетов иРНК определяет последовательность
аминокислот в растущей цепи белка. Если
вначале матрицей для синтеза иРНК
служила ДНК, то теперь иРНК сама служит
матрицей для построения белковой цепи.
Поэтому существует еще одно название
иРНК – матричная РНК.

Отличительной
особенностью иРНК от рРНК и тРНК является
то, что иРНК обладает низкой устойчивостью
в процессе обмена веществ — иРНК является
относительно маложивущей молекулой.

Еще одной характерной особенностью
иРНК является наличие в ней участка
полиадениловой кислоты, состоящей из
десятков и даже сотен рибонуклеотидов,
в составе которых находится одно и то
же азотистое основание — аденин.

ТРАНСПОРТНАЯ
РИБОНУКЛЕНИОВАЯ КИСЛОТА

Транспортная РНК относится к
низкомолекулярным типам РНК, молекулярная
масса которых колеблется от 23000 до 30000,
так как в составе тРНК находится от 75
до 90 рибонуклеотидов. Другие типы РНК
имеют гораздо большие размеры.

В связи
с небольшой молекулярной массой тРНК
легко отделяются от других типов РНК с
помощью различных методов франкционирования.

Удобство выделения и относительно
простая структура (состоит из небольшого
числа рибонуклеотидов) привели к тому,
что тРНК является наиболее изученной
молекулой белоксинтезирующей системы.

Основной функцией тРНК является транспорт
аминокислоты на соответствующий участок
иРНК в полисомах.

Первой отличительной особенностью тРНК
является то, что в их состав входит
значительное количество минорных
оснований. Содержание минорных оснований
доходит до 10 % от общего числа оснований
тРНК.

Второй отличительной особенностью тРНК
является то, что в их структуру входят
необычные мононуклеотиды, например
псевдоуридиловая или риботимидиловая
кислоты.

Третьей характерной особенностью тРНК
является то, что все они на одном конце
имеют последним нуклеотидом остаток
гуаниловой кислоты, которая содержит
добавочную фосфатную группу.

Эта группа
находится при 5’-гидроксильной группе.
На другом конце полинуклеотидной цепочки
тРНК находятся три нуклеотида:
цитозин-цитозин-аденин.

Общая структура
тРНК представлена в виде последовательности
гуанин-цитозин-цитозин-аденин-ОН.

Как обнаружили тРНК и доказали ее
функцию? Особо тонко измельченные клетки
печени – гомогенаты разделили на четыре
части (фракции): ядерную, митохондриальную,
микросомную, и растворимую (цитозоль).
Оказалось, что микросомы содержат
рибосомы, на которых осуществляется
синтез белка.

Но сами по себе одни
рибосомы синтезировать белок не могут.
Для его синтеза нужно обязательное
присутствие дополнительных факторов,
таких, как аминокислоты, АТФ, а также
цитозоль — жидкая составляющая цитоплазмы
вместе с растворенными в ней веществами.

Что же находится в цитоплазме, что делает
возможным синтез белка при наличии всех
остальных компонентов?

При тщательном изучении оказалось, что
в цитоплазме присутствует тРНК, которая
осуществляет перенос аминокислот,
транспорт их из жидкой среды на рибосомы,
в место непосредственного синтеза
белка.

РИБОСОМНАЯ
РИБОНУКЛЕИНОВАЯ КИСЛОТА

Рибосомная РНК, так же как и иРНК, имеет
большую молекулярную массу, но в отличие
от последней характеризуется относительной
метаболической стабильностью.

После
синтеза они существуют в клетке более
продолжительное время, чем иРНК.
Рибосомную РНК выделяют из смеси с тРНК,
получившейся после соответствующей
обработки гомогенатов тканей.

Чистые
препараты рРНК получают из очищенных
рибосом или из составных частей рибосом
— субъединиц

Рибосомную РНК экстрагируют из рибосом
с помощью фенола. Так, например, после
экстракции рРНК из рибосом кишечной
палочки рРНК получена в виде линейных
одноцепочечных молекул трех видов.

Рибосомная РНК содержит четыре главных
азотистых основания: аденин, гуанин,
цитозин и урацил. Следует отметить, что
в рРНК, как и в тРНК, некоторые нуклеотиды
метилированы, т. е. метилированы их
основания.

Существует несколько
предположений о функциях, которые
выполняет рРНК.

Структурная функция рРНК является
основной, но не исчерпывающей. Установлено,
что рРНК выступает в роли своеобразного
якоря, за который цепляется иРНК. По
крайней мере в молекуле иРНК и в молекуле
рРНК имеются специфические комплементарные
участки. За счет этих участков
осуществляется первоначальное связывание
иРНК и рибосомы.

Еще одной функцией рРНК является
формирование активного центра рибосомы.
В активном центре происходит образование
пептидных связей между молекулами
аминокислот в процессе синтеза белка.

Синтезируется рРНК в ядре клеток, а
точнее, в ядрышке. Синтез рРНК осуществляется
с помощью специфического фермента,
который называется РНК- полимеразой.

Синтез рРНК осуществляется на определенных
участках нити ДИК, каждый из которых
кодирует соответствующую рРНК. В ДНК
клетки содержится большое число копий
генов, кодирующих молекулы рРНК.

Рибосомные гены в зависимости от вида
организма могут быть сгруппированы в
одной хромосоме или расположены в
нескольких хромосомах.