Цитология днк и рнк

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)

Что такое ДНК? Это нуклеиновая кислота, которая содержит генотип индивида и передает информацию по наследству, самовоспроизводясь. Поскольку эти молекулы являются очень большими, имеется огромное количество возможных последовательностей из нуклеотидов. Поэтому число различных молекул является фактически бесконечным.

Кроме РНК-содержащих вирусов, дезоксирибонуклеиновая кислота содержится во всех организмах. Функции ДНК заключаются в переносе шаблона химических соединений и аминокислот, использующихся для строения белка.

Эта молекула во многом схожа с дезоксирибонуклеиновой кислотой. Однако она не такая большая, как ДНК. И РНК также состоит из полимерных нуклеотидов четырех типов.

Три из них сходны с ДНК, но вместо тимина в нее входит урацил (U или У). Кроме этого, РНК состоит из углевода — рибозы. Главным отличием служит то, что спираль этой молекулы является одинарной, в отличие от двойной в ДНК.

Нуклеиновые кислоты — это органические соединения, обладающие высокомолекулярными свойствами. В их состав входят водород, углерод, азот и фосфор.

Они были открыты в 1869 году Ф. Мишером, который исследовал гной. Однако тогда его открытию не придали особого значения. Лишь позже, когда эти кислоты обнаружили во всех животных и растительных клетках, пришло понимание огромной их роли.

Существуют два вида нуклеиновых кислот: РНК и ДНК (рибонуклеиновые и дезоксирибонуклеиновые кислоты). Настоящая статья посвящена рибонуклеиновой кислоте, но для общего понимания рассмотрим также, что собой представляет ДНК.

ДНК — это нуклеиновая кислота, состоящая из двух нитей, которые соединены по закону комплементарности водородными связями азотистых оснований. Длинные цепи закручены в спираль, один виток содержит почти десять нуклеотидов.

Диаметр двойной спирали составляет два миллиметра, расстояние между нуклеотидами — около половины нанометра. Длина одной молекулы порой достигает нескольких сантиметров. Длина ДНК ядра человеческой клетки составляет почти два метра.

В структуре ДНК содержится вся генетическая информация. ДНК обладает репликацией, что означает процесс, в ходе которого из одной молекулы образуются две совершенно одинаковые — дочерние.

Как уже было отмечено, цепь складывается из нуклеотидов, состоящих, в свою очередь, из азотистых оснований (аденина, гуанина, тимина и цитозина) и остатка кислоты фосфора.

Все нуклеотиды различаются азотистыми основаниями. Водородная связь возникает не между всеми основаниями, аденин, к примеру, может соединяться только с тимином или гуанином.

Таким образом, адениловых нуклеотидов в организме столько же, сколько тимидиловых, а число гуаниловых равно цитидиловым (правило Чаргаффа). Получается, что последовательность одной цепочки предопределяет последовательность другой, и цепи как бы зеркально отражают друг друга.

Такая закономерность, где нуклеотиды двух цепей располагаются упорядоченно, а также соединяются избирательно, называется принципом комплементарности.

Две цепи разнонаправлены, то есть расположены в противоположных направлениях. Поэтому напротив трех’-конца одной находится пяти’-конец другой цепи.

Внешне молекула ДНК напоминает винтовую лестницу, перилом которой является сахарофосфатный остов, а ступеньками — комплементарные основания азота.

РНК — это нуклеиновая кислота с мономерами, называющимися рибонуклеотидами.

По химическим свойствам она очень похожа на ДНК, так как обе являются полимерами нуклеотидов, представляющих собой фосфолированный N-гликозид, который выстроен на остатке пентозы (пятиуглеродного сахара), с фосфатной группой пятого углеродного атома и основания азота при первом углеродном атоме.

Она представляет собой одну полинуклеотидную цепочку (кроме вирусов), которая намного короче, чем у ДНК.

Один мономер РНК — это остатки следующих веществ:

  • основания азота;
  • пятиуглеродного моносахарида;
  • кислоты фосфора.

РНК имеют пиримидиновые (урацил и цитозин) и пуриновые (аденин, гуанин) основания. Рибоза является моносахаридом нуклеотида РНК.

Почти все РНК — это одиночные цепи полинуклеотидов, которые, в свою очередь, состоят из монорибонуклеотидов — пуриновых и пиримидиновых оснований.

Нуклеотиды обозначают начальными буквами оснований:

  • аденина (А), А;
  • гуанина (G), Г;
  • цитозина (С), Ц;
  • урацила (U), У.

Они связаны между собой трех- и пятифосфодиэфирными связями.

Самое разное количество нуклеотидов (от нескольких десятков до десятков тысяч) входит в строение РНК. Они могут формировать вторичную структуру, состоящую в основном из коротких двуцепочных тяжей, которые образовались комплементарными основаниями.

Как уже было сказано, у молекулы имеется однонитевое строение. РНК получает вторичную структуру и форму в результате взаимодействия нуклеотидов между собой.

Это полимер, мономером которого является нуклеотид, состоящий из сахара, остатка кислоты фосфора и основания азота. Внешне молекула похожа на одну из цепей ДНК.

Такие молекулы еще называют матричными. Они составляют в клетке примерно два процента от всего количества. В клетках эукариот они синтезируются в ядрах на ДНК-матрицах, переходя затем в цитоплазму и связываясь с рибосомами.

Далее, они становятся матрицами для синтеза белка: к ним присоединяются транспортные РНК, которые несут аминокислоты. Так происходит процесс преобразования информации, которая реализуется в уникальной структуре белка. В некоторых вирусных РНК она к тому же является хромосомой.

Жакоб и Мано являются открывателями этого вида. Не имея жесткой структуры, ее цепь образует изогнутые петли. Не работая, и-РНК собирается в складки и сворачивается в клубок, а в рабочем состоянии разворачивается.

и-РНК несет в себе информацию о последовательности аминокислот в белке, который синтезируется. Каждая аминокислота закодирована в определенном месте при помощи генетических кодов, которым свойственны:

  • триплетность — из четырех мононуклеотидов возможно выстроить шестьдесят четыре кодона (генетического кода);
  • неперекрещиваемость — информация движется в одном направлении;
  • непрерывность — принцип работы сводится к тому, что одна и-РНК — один белок;
  • универсальность — тот или иной вид аминокислоты кодируется у всех живых организмов одинаково;
  • вырожденность — известными являются двадцать аминокислот, а кодонов — шестьдесят один, то есть они кодируются несколькими генетическими кодами.

Такие молекулы составляют подавляющее большинство клеточных РНК, а именно от восьмидесяти до девяноста процентов от общего количества. Они соединяются с белками и формируют рибосомы — это органоиды, выполняющие синтез белков.

Рибосомы состоят на шестьдесят пять процентов из р-РНК и на тридцать пять процентов из белка. Эта полинуклеотидная цепь без труда изгибается вместе с белком.

Рибосома состоит из аминокислотного и пептидного участков. Они расположены на контактирующих поверхностях.

Рибосомы свободно передвигаются в клетке, синтезируя белки в нужных местах. Они не очень специфичны и могут не только считывать информацию с и-РНК, но и образовывать с ними матрицу.

т-РНК наиболее изучены. Они составляют десять процентов клеточной рибонуклеиновой кислоты. Эти виды РНК связываются с аминокислотами благодаря специальному ферменту и доставляются на рибосомы.

При этом аминокислоты переносятся транспортными молекулами. Однако бывает, что аминокислоту кодируют разные кодоны. Тогда переносить их будут несколько транспортных РНК.

Она сворачивается в клубочек, когда неактивна, а функционируя, имеет вид клеверного листа.

В ней различаются следующие участки:

  • акцепторный стебель, имеющий последовательность нуклеотидов АЦЦ;
  • участок, служащий для присоединения к рибосоме;
  • антикодон, кодирующий аминокислоту, которая присоединена к этой т-РНК.

Недавно виды РНК пополнились новым классом, так называемыми малыми РНК. Они, скорее всего, являются универсальными регуляторами, которые включают или выключают гены в эмбриональном развитии, а также контролируют процессы внутри клеток.

Рибозимы также недавно выявлены, они активно принимают участие, когда кислота РНК ферментируется, являясь при этом катализатором.

Нуклеиновые кислоты имеют огромное значение в жизнедеятельности организмов. В них хранится, переносится в цитоплазму и передается по наследству дочерним клеткам информация о белках, синтезирующихся в каждой клетке.

Они присутствуют во всех живых организмах, стабильность этих кислот играет важнейшую роль для нормального функционирования как клеток, так и всего организма. Любые изменения в их строении приведут к клеточным изменениям.

Название «нуклеиновые
кислоты» происходит от латинского слова «нуклеус», т. е. ядро: они впервые
были обнаружены в клеточных ядрах. Биологическое значение нуклеиновых кислот
очень велико.

Они играют центральную роль в хранении и передаче
наследственных свойств клетки, поэтому их часто называют веществами
наследственности. Известно, что любая клетка возникает в результате деления
материнской клетки.

При этом дочерние клетки наследуют свойства материнской.
Свойства же клетки определяются главным образом ее белками. Нуклеиновые
кислоты обеспечивают в клетке синтез белков, точно таких же, как в
материнской клетке.

Существуют два вида
нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая
кислота (РНК). 

Роль хранителя
наследственной информации у всех клеток — животных и растительных —
принадлежит ДНК. Схема строения ДНК изображена на рисунке 74.

Молекула ДНК
представляет собой две спирально закрученные одна вокруг другой нити. Ширина
такой двойной спирали ДНК невелика, около 2 нм. Длина же ее в десятки тысяч
раз больше — она достигает сотен тысяч нанометров.

Между тем самые крупные
белковые молекулы в развернутом виде достигают в длину не более 100 — 200
нм. Таким образом, вдоль молекулы ДНК могут быть уложены одна за другой
тысячи белковых молекул.

Значение дезоксирибонуклеиновых и рибонуклеиновых кислот

Нуклеотиды отличаются
только по азотистым основаниям, в соответствии с которыми их называют;
нуклеотид с азотистым основанием аденин (сокращенно А), нуклеотид с гуанином
(Г), нуклеотид с тимином (Т) и нуклеотид с цитозином (Ц).

Соединение нуклеотидов в
нити ДНК происходит через углевод одного нуклеотида и фосфорную кислоту
соседнего. Они соединяются прочной ковалентной связью — рисунок 76.

Итак, каждая нить ДНК представляет собой полинуклеотид. Это длинная
цепь, в которой в строго определенном порядке расположены нуклеотиды.

Рассмотрим теперь, как
располагаются относительно друг друга нити ДНК, когда образуется двойная
спираль, и какие силы удерживают их рядом. Представление об этом дает
рисунок рисунок 77, на котором изображен небольшой участок двойной спирали.

Участок двойной спирали ДНК
Рисунок 77. Участок двойной
спирали ДНК.

Как видно, азотистые
основания одной цепи «стыкуются» с азотистыми основаниями другой. Основания
подходят друг к другу настолько близко, что между ними возникают водородные
связи.

В расположении стыкующихся нуклеотидов имеется важная закономерность, а
именно: против А одной цепи всегда оказывается Т на другой цепи, а
против Г одной цепи — всегда Ц.

Оказывается, что только при таком
сочетании нуклеотидов обеспечивается, во-первых, одинаковое по всей
длине двойной спирали расстояние между цепями и, во-вторых, образование
между противолежащими основаниями максимального числа водородных связей
(три водородные связи между Г и Ц и две водородные связи между А и Т).

В
каждом из этих сочетаний оба нуклеотида как бы дополняют друг друга.
Слово «дополнение» на латинском языке «комплемент». Принято поэтому
говорить, что Г является комплементарным Ц, а Т комплементарен А.

Если
на каком-нибудь участке одной цепи ДНК один за другим следуют нуклеотиды
А, Г, Ц, Т, А, Ц, Ц, то на противолежащем участке другой цепи окажутся
комплементарные им Т, Ц, Г, А, Т, Г, Г.

Таким образом, если известен
порядок следования нуклеотидов в одной цепи, то по принципу
комплементарности сразу же выясняется порядок нуклеотидов в другой цепи.

Большое число водородных
связей обеспечивает прочное соединение нитей ДНК, что придает молекуле
устойчивость и в то же время сохраняет ее подвижность: под влиянием фермента
дезоксирибонуклеазы она легко раскручивается.

ДНК содержится в ядре
клетки, а также в митохондриях и хлоропластах. В ядре ДНК входит в состав
хромосом, где она находится в соединении с белками.

Отличия РНК и ДНК

Нуклеиновые кислоты отличаются друг от друга следующими свойствами:

  • количество ее в клетке зависит от физиологического состояния, возраста и органной принадлежности;
  • ДНК содержит углевод дезоксирибозу, а РНК — рибозу;
  • азотистое основание у ДНК — тимин, а у РНК — урацил;
  • классы выполняют различные функции, но синтезируются на матрице ДНК;
  • ДНК состоит из двойной спирали, а РНК — из одинарной цепи;
  • для нее нехарактерны правила Чаргаффа, действующие у ДНК;
  • в РНК больше минорных оснований;
  • цепи существенно отличаются по длине.

Структура ДНК

Это самые крупные биологические молекулы. Их размер составляет от одной четверти у бактерий до сорока миллиметров в ДНК человека, что гораздо больше максимального размера белка.

Они состоят из четырех мономеров, структурных компонентов нуклеиновых кислот — нуклеотидов, в которые входит азотистое основание, остаток фосфорной кислоты и дезоксирибоза.

Азотистые основания имеют двойное кольцо из углерода и азота— пурины, и одно кольцо — пиримидины.

Пуринами являются аденин и гуанин, а пиримидинами — тимин и цитозин. Они обозначаются заглавными латинскими буквами: A, G, T, C; а в русской литературе — на кириллице: А, Г, Т, Ц.

Во Вселенной именно спираль является наиболее распространенной формой. Так и структура ДНК молекулы тоже имеет ее. Полинуклеотидная цепочка закручена наподобие винтовой лестницы.

Цепи в молекуле направлены противоположно друг от друга. Получается, если в одной цепи от 3′-конца к 5′, то в другой цепи ориентация будет наоборот от 5′-конца к 3′.

История изучения

Клетка РНК впервые была открыта биохимиком из Германии Р. Альтманом при исследовании дрожжевых клеток. В середине двадцатого века была доказана роль ДНК в генетике.

Лишь тогда описали и типы РНК, функции и так далее. До 80-90% массы в клетке приходится на р-РНК, образующих совместно с белками рибосому и участвующих в биосинтезе белка.

В шестидесятых годах прошлого столетия впервые предположили, что должен существовать некий вид, который несет в себе генетическую информацию для синтеза белка.

После этого научно установили, что есть такие информационные рибонуклеиновые кислоты, представляющие комплементарные копии генов. Их еще называют матричными РНК.

В декодировании записанной в них информации участвуют так называемые транспортные кислоты.

Позже стали разрабатываться способы выявления последовательности нуклеотидов и устанавливаться структура РНК в пространстве кислоты. Так было обнаружено, что некоторые из них, которые назвали рибозимами, могут расщеплять полирибонуклеотидные цепи.

Вследствие этого стали предполагать, что в то время, когда зарождалась жизнь на планете, РНК действовала и без ДНК и белков. При этом все превращения производились с ее участием.

Принцип комплементарности

Две нити соединяются в молекулу азотистыми основаниями таким образом, что аденин имеет связь с тимином, а гуанин — только с цитозином. Последовательно расположенные нуклеотиды в одной цепи определяют другую.

Получается, что число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а гуаниловые равны количеству цитидиловых. Это соответствие стало называться «правилом Чаргаффа».

Репликация

Процесс самовоспроизведения, протекающий под контролем ферментов, является основным свойством ДНК.

Все начинается с раскручивания спирали благодаря ферменту ДНК-полимеразы. После разрыва водородных связей, в одной и в другой нитях синтезируется дочерняя цепь, материалом для которой выступают свободные нуклеотиды, имеющиеся в ядре.

Каждая цепь ДНК является матрицей для новой цепи. В результате из одной получаются две абсолютно идентичные материнской молекулы. При этом одна нить синтезируется сплошной, а другая сначала фрагментарно, лишь затем соединяясь.

В целях улучшения общего понимания необходимо рассмотреть процесс репликации, в результате которого появляются две идентичные молекулы нуклеиновой кислоты. Так начинается деление клетки.

В ней участвуют ДНК-полимеразы, ДНК-зависимые, РНК-полимеразы и ДНК-лигазы.

Процесс репликации состоит из следующих этапов:

  • деспирализация — происходит последовательное раскручивание материнской ДНК, захватывающей всю молекулу;
  • разрыв водородных связей, при котором цепи расходятся, и появляется репликативная вилка;
  • подстройка дНТФ к освободившимся основаниям материнских цепей;
  • отщепление пирофосфатов от дНТФ молекул и образование фосфорнодиэфирных связей за счет выделяющейся энергии;
  • респирализация.

После образования дочерней молекулы делится ядро, цитоплазма и остальное. Таким образом, образуются две дочерние клетки, полностью получившие всю генетическую информацию.

Кроме этого, кодируется первичная структура белков, которые в клетке синтезируются. ДНК в этом процессе принимает косвенное участие, а не прямое, заключающееся в том, что именно на ДНК происходит синтез, участвующих в образовании белков, РНК. Этот процесс получил название транскрипции.

Функции РНК

В основе функций рибонуклеиновой кислоты лежат три различных вида РНК.

Информационная передает генетическую информацию от ДНК в цитоплазму ядра. Ее еще называют матричной. Это незамкнутая цепь, синтезирующаяся в ядре при помощи фермента РНК-полимеразы.

Несмотря на то что в молекуле ее процентное содержание чрезвычайно низкое ( от трех до пяти процентов клетки), на ней лежит важнейшая функция — являться матрицей для синтеза белков, информируя об их структуре с молекул ДНК.

Рибосомная в основном состоит из цитоплазматических гранул — рибосом. Р-РНК синтезируются в ядре. На их долю приходится примерно восемьдесят процентов всей клетки.

Этот вид обладает сложной структурой, образовывая петли на комплементарных частях, что ведет к молекулярной самоорганизации в сложное тело. Среди них имеются три типа у прокариот, и четыре — у эукариот.

Транспортная действует в роли «адаптера», выстраивая в соответствующем порядке аминокислоты полипептидной цепи. В среднем, она состоит из восьмидесяти нуклеотидов.

В клетке их содержится, как правило, почти пятнадцать процентов. Она предназначена переносить аминокислоты туда, где белок синтезируется. В клетке насчитывается от двадцати до шестидесяти типов транспортной РНК.

Процесс синтеза

Чтобы молекула РНК синтезировалась, матрицей является молекула ДНК. Бывает, правда, и обратный процесс, когда новые молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты образуются на матрице рибонуклеиновой. Такое встречается при репликации некоторых видов вирусов.

Основой для биосинтеза могут служить также другие молекулы рибонуклеиновой кислоты. В ее транскрипции, которая происходит в ядре клетки, участвуют много ферментов, но самым значимым из них является РНК-полимераза.

Значение дезоксирибонуклеиновых и рибонуклеиновых кислот

Когда было открыто, что такое ДНК, ее роль не была такой очевидной. Даже сегодня, несмотря на то, что раскрыто намного больше информации, остаются без ответов некоторые вопросы. А какие-то, возможно, еще даже не сформулированы.

Общеизвестное биологическое значение ДНК и РНК заключаются в том, что ДНК передает наследственную информацию, а РНК участвует в синтезе белка и кодирует белковую структуру.

Однако существуют версии, что эта молекула связана с нашей духовной жизнью. Что такое ДНК человека в этом смысле? Она содержит всю информацию о нем, его жизнедеятельности и наследственности.

По их мнению, цепочки содержат коды, касающиеся всех аспектов жизни, включая и духовную часть. Но некоторая информация, например, о восстановлении своего тела, расположена в структуре кристалла многомерного пространства, находящегося вокруг ДНК.

Ввиду того, что человек не обременяет себя духовными знаниями, обмен информации в ДНК с кристаллической оболочкой происходит очень медленно. У среднестатистического человека он составляет всего пятнадцать процентов.

Предполагается, что это было сделано специально для сокращения жизни человека и падения на уровень дуальности. Таким образом, у человека растет кармический долг, а на планете поддерживается необходимый для некоторых сущностей уровень вибрации.

Вирусные виды кислот

Вирус способен содержать либо рибонуклеиновую кислоту, либо дезоксирибонуклеиновую. Поэтому с соответствующими молекулами они называются РНК-содержащими.

При попадании в клетку такого вируса происходит обратная транскрипция — на базе рибонуклеиновой кислоты появляются новые ДНК, которые встраиваются в клетки, обеспечивая существование и размножение вируса.

В другом случае происходит образование комплиментарной на поступившей РНК. Вирусы белков, жизнедеятельность и размножение идет без ДНК, а лишь на основе информации, содержащейся в РНК вируса.

Транскрипция

Синтез всех молекул происходит во время транскрипции, то есть переписывании генетической информации с определенного оперона ДНК. Процесс в некоторых моментах похож на репликацию, а в других существенно отличается от нее.

Сходствами являются следующие части:

  • начало идет с деспирализации ДНК;
  • происходит разрыв водородных связей между основаниями цепей;
  • к ним комплементарно подстраиваются НТФ;
  • происходит образование водородных связей.

Отличия от репликации:

  • при транскрипции расплетается лишь участок ДНК, соответствующий транскриптону, в то время как при репликации расплетению подвергается вся молекула;
  • при транскрипции подстраивающиеся НТФ содержат рибозу, и вместо тимина урацил;
  • информация списывается лишь с определенного участка;
  • после образования молекулы водородные связи и синтезированная цепь разрываются, а цепь соскальзывает с ДНК.

Для нормального функционирования первичная структура РНК должна состоять только из списанных с экзонов ДНК-участков.

У только что образованных РНК начинается процесс созревания. Молчащие участки вырезаются, а информативные сшиваются, образуя полинуклеотидную цепь. Далее, каждый вид имеет присущие только ему превращения.

В и-РНК происходит присоединение к начальному концу. К конечному участку присоединяется полиаденилат.

В т-РНК модифицируются основания, образуя минорные виды.

У р-РНК также метилируются отдельные основания.

Защищают от разрушения и улучшают транспортировку в цитоплазму белки. РНК в зрелом состоянии с ними соединяются.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Медицинский взгляд на еду