Функции и строение нуклеиновых кислот в клетке: что это такое – виды ДНК и РНК, структурная формула нуклеотида и какие вещества входят в сего остав

В конце ХIХ века в Швейцарии произошло событие, которое определило ход науки на многие десятилетия вперед: в ходе своих исследований ученый Ф. Мишер обнаружил в ядрах лимфоцитов неизвестные раньше молекулы.

Выделенные молекулы впоследствии были найдены во всех биологических видах и получили название, под которыми они известны сегодня: «нуклеиновые кислоты». Функции нуклеиновых кислот в клетке заключаются в хранении и передаче наследственной информации.

Нуклеиновые кислоты классифицируются по присутствию в их составе одной из разновидностей пятиуглеродного сахара (пентозы). Дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, содержит дезоксирибозу, а рибонуклеиновая кислота (РНК) – рибозу.

Кратко их взаимодействие можно выразить так: из ДНК синтезируется РНК, а из РНК – белок. В структуре нуклеиновых кислот есть много общего.

Разберем подробнее, в какой части клетки находятся нуклеиновые кислоты, какие они выполняют функции, в чем заключаются особенности их строения и какие существуют виды нуклеиновых кислот.

ДНК

Молекулу ДНК можно сравнить с лестницей, которая закручена в спираль по направлению вправо. Ступеньки или «перемычки» на ней образованы парами азотистых оснований:

• аденином (А);
• гуанином (G);
• тимином (Т);
• цитозином (С).

Каждое из оснований формирует пару с другим, используя принцип комплементарности, где аденин соединяется исключительно с тимином (АТ), а гуанин с цитозином (GC). Поэтому хаотичность связей между ними только кажущаяся – строение нуклеиновых кислот подчиняется строгим и неизменным законам.

В зависимости от комбинаций нуклеотидов ДНК и находящихся в них азотистых оснований проявляются наши индивидуальные особенности (цвет кожи, глаз, волос, рост и т.д.). Молекулы ДНК располагаются в ядрах клеток, а также, в хлоропластах и митохондриях (менее 1%).

[warning]Внимание! Звеном, которое соединяет пары нуклеотидов, являются водородные связи.[/warning]

Структура молекулы ДНК

Молекула ДНК – это биополимер, в составе которого основным мономером или структурной единицей является нуклеотид. Входят в состав нуклеотидов следующие компоненты: остаток фосфорной кислоты соединяется с пятиуглеродным сахаром – дезоксирибозой и встраивается в азотистое основание. Между собой мономеры объединяются в длинные цепи, образуя в конечном итоге двойные спирали.

Соединение спиралей друг с другом происходит посредством водородных связей. Аденин соединяется с тимином двумя, а цитозин с гуанином – тремя водородными связями. Азотистое основание, сахар и фосфатная группа входят в состав нуклеотидов обязательно.

Ширина молекулы колеблется от 2.2 до 2.4 нм, а длина каждого мономера в цепочке равна 0.33 нм.

Каждая цепочка дезоксирибонуклеиновой кислоты имеет определенную направленность. Две цепи, расположенные в противоположном направлении, называются антипараллельными.

Благодаря принципу комплементарности вся информация, находящаяся в одной цепи, дублируется и в другой. Соединение аденина и гуанина – это пуриновые основания, а тимина с цитозином – пиримидиновые. При этом необходимо знать, что в молекуле ДНК число пуриновых оснований всегда равно числу пиримидиновых.

Связь ДНК в передаче генов

Мы часто слышим обвинения в адрес генов, когда речь заходит о дурных склонностях и привычках человека. Попробуем разобраться, что такое гены и какую роль играет ДНК в передаче наследственных данных, переносит ли она негативную информацию. Каковы же функции нуклеиновых кислот в клетке?

Ген – это особый участок молекулы ДНК, образующийся из уникальных сочетаний нуклеотидов. Каждый тип гена находится в специально отведенном для этого участке спирали ДНК, никуда не мигрируя. Число нуклеотидов в генах постоянно. Например, ген, отвечающий за синтез инсулина, в своем составе имеет 60 пар нуклеотидов.

Также в цепочке ДНК находятся т.н. «некодирующие последовательности». Роль их в передаче генетического материала не до конца установлена. Предполагается, что эти последовательности отвечают за порядок в работе генов и «закручивают» хромосомы.

Весь объем генов в организме носит название геном. Он в свою очередь равномерно распределяется в 46 парах молекул ДНК. Каждая такая пара называется хромосома. Следовательно, организм человека состоит из 46 пар хромосом, в которые вложена вся генетическая информация, начиная от внешности, заканчивая предрасположенностью к различным заболеваниям.

Хромосомы различаются по своей морфологии и размеру. Основных форм две – Х и У. Человеческий организм содержит парные хромосомы, т.е. каждая хромосома имеет свою точную копию. Таким образом, в норме мы имеем 23 парные хромосомы. Каждая хромосомная пара выполняет свою функцию, отвечая за конкретные признаки. 22 пары хромосом отвечают за соматические признаки и лишь одна за половые. Сочетание хромосом ХХ означает, что на свет появится девочка, а сочетание ХУ – мальчик.

Мутации ДНК

Повреждение молекул ДНК может быть обусловлено множеством факторов, среди которых чаще всего мутагенное действие оказывают следующие:

• Радиационный. Это рентгеновское или ультрафиолетовое излучение в высоких дозах.
• Оксидантный. К этим видам мутагенов относят все свободные радикалы, оксид азота и пероксид водорода.
• Канцерогенный. Фактор представлен обширным списком веществ, где наиболее распространенными являются бензопирен, афлатоксин и бромистый этидий.

Подавляющее число мутагенов проникают между двумя парами азотистых соединений, нарушая структуру молекулы нуклеиновой кислоты. Самые опасные включения мутагенных компонентов – двухцепочечные. Такие нарушения зачастую приводят к гибели целых фрагментов хромосом и различным транслокациям.

[stop]Важно! ДНК человека ежедневно подвергается атаке множества агрессивных факторов, которые вызывают повреждения структуры и разрыв самой спирали. Однако эта молекула отличается способностью к регенерации, что позволяет предупреждать мутации еще на этапе их формирования.[/stop]

РНК

Принцип строения РНК принципиально тот же, что и структура ДНК, но с тем отличием, что рибонуклеиновая кислота сформирована в виде одинарной спирали, в ее составе тимин заменен урацилом, а место дезоксирибозы занимает рибоза.

Благодаря строго последовательному расположению нуклеотидов молекулы РНК способны кодировать наследственную информацию.

Однако, в отличие от ДНК, функции рибонуклеиновых кислот другие, более щирокие, в связи с тем, что есть три под вида молекул.

Виды РНК

Имеется 3 разновидности рибонуклеиновой кислоты:

1. Транспортная (тРНК). Входящие в состав цитоплазмы тРНК являются самыми маленькими молекулами рибонуклеиновой кислоты. Их форма схожа с формой листка клевера. тРНК несет ответственность за транспортировку специфических аминокислот непосредственно к участку, где происходит синтез белка, чтобы инициировать образование пептидных связей.
2. Информационная или матричная (иРНК, иРНК). Входит в состав ядра клетки и цитоплазмы. Она транспортирует информацию о строении белка от ДНК к рибосомам, которые являются местом его биосинтеза.
3. Рибосомальная (рРНК). Образуется в ядрышках и, как следует из названия, является главной составляющей рибосом. Самая крупная разновидность РНК. Соединяясь с информационной РНК, синтезирует белок

Существует также особый вид. Он обнаружен в некоторых вирусах, бактериях и микроорганизмах. Действует одновременно как тРНК и мРНК. Основная его функция – переработка белка.

Структура молекулы РНК

Структурная формула РНК характеризуется наличием гидроксильной группы в положении рибозы. Многие виды рибонуклеиновой кислоты, например, рРНК и иРНК, функционируют в комплексе с белками. Такие соединения называются рибонуклеотидами.

Строение нуклеотида РНК сходно со строением мономера ДНК. Азотистые основания также соединяются друг с другом по принципу комплементарности. Однако, вместо тимина здесь присутствует урацил, а пятиуглеродный сахар представлен рибозой.

Нуклеотиды в цепочке РНК соединяются с помощью фосфодиэфирных связей.

Синтез белка

Какие вещества могут хранить информацию о клетке, ее функциях, биологических и химических свойствах? Конечн, белки. Они являются уникальными компонентами любого живого организма. Биохимический синтез белка – это довольно сложный микропроцесс. Проходит он в три основных этапа:

1. Транскрипция. Этот процесс протекает в ядре, и ответственность за него несет информационная РНК. Транскрипция заключается в считывании данных о будущем белке с генов, находящихся в ДНК, и переносе этих данных на информационную РНК. Далее иРНК транспортирует информацию в цитоплазму. Дезоксирибонуклеиновая кислота не имеет прямого отношения к биосинтезу белка, а только хранит и передает информацию. Во время транскрипции цепочки ДНК «расплетаются», а генетический материал считывается на РНК, с учетом парных комплексов азотистых оснований.
2. Трансляция. Это окончательная стадия образования белковой молекулы. Информационная РНК через цитоплазму попадает в рибосомы, где и происходит сам биохимический синтез.
3. ​Различные модификации полипептидной цепи. Происходят в результате совершившейся трансляции.

Различия между ДНК и РНК

Для нуклеиновых кислот характерны не только схожие, но и отличительные черты. Общими можно назвать следующие признаки:

• Содержат по две пары оснований.
• Несут ответственность за передачу информации.
• «Построены» из нуклеотидных связей, которые сформированы в соответствии с принципом комплементарности.
• В составе биологической клетки обе кислоты играют взаимодополняющую роль.

Но, рассматривая обе эти кислоты, можно обнаружить существенные различия.

Любопытные факты

• Единственный тип клеток, не содержащий ДНК, – это красные кровяные тельца.
• Структура нуклеиновых кислот настолько похожа, что западные ученые выдвинули теорию: на ранних этапах эволюционной истории человечества ответственность за хранение информации, передаваемой по наследству, несла РНК.
• Структурная формула молекулы ДНК была вычислена Д. Утсоном и Ф. Криком еще в 1953 году. И лишь спустя 9 лет эти ученые удостоились Нобелевской премии по медицине.
• За различия между людьми отвечает менее 1% всех молекул ДНК, входящих в геном человека. Поэтому выражение «все мы из одного теста» имеет под собой научное обоснование.
• Схожесть между ДНК человека и шимпанзе достигает 98%, а ДНК человека и свиньи совпадают на 96%.
• Полная расшифровка генома человека была завершена в 2003 году.
• Чтобы набрать на клавиатуре полный буквенный код генома человека, у вас уйдет 17 лет, с учетом того, что стучать по клавишам придется целыми сутками.
• Геном человека составляет 100% генов, из которых 50% достаются от матери и 50% от отца.

Строение и функции нуклеиновых кислот, урок биологии

Чем отличаются ДНК и РНК

Вывод

На протяжении без малого двух столетий ученые пытаются разгадать все тайны крошечных спиралек, полностью расшифровать строение нуклеиновых кислот. Но и на сегодняшний день сделаны не все открытия, способные пролить свет на этих хранителей генетической информации. Возможно, в скором времени мы узнаем, какую еще не известную нам функцию выполняет ДНК.