Нуклеиновые кислоты: структура, функция, типы и примеры

Нуклеиновые кислоты представляют одну из четырех основных категорий биомолекулы, которые являются веществами, из которых состоят клетки. Остальные - это белки, углеводы и липиды (или жиры).

Нуклеиновые кислоты, к которым относятся ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) а также РНК (рибонуклеиновая кислота), отличаются от трех других биомолекул тем, что они не могут метаболизироваться для снабжения энергией родительского организма.

(Вот почему вы не видите слово «нуклеиновая кислота» на этикетках с информацией о питании.)

Функция ДНК и РНК - хранить генетическую информацию. Полную копию вашей собственной ДНК можно найти в ядре почти каждой клетки вашего тела, в результате чего это скопление ДНК называется хромосомы в этом контексте - скорее как жесткий диск портативного компьютера.

На этой схеме длина РНК, называемая информационная РНК содержит закодированные инструкции только для одного белкового продукта (т.е. он содержит единственный ген) и поэтому больше похож на «флешку», содержащую один важный файл.

ДНК и РНК очень тесно связаны. Однократное замещение атома водорода (–H) в ДНК на гидроксильную группу (–OH), присоединенную к соответствующий атом углерода в РНК составляет всю химическую и структурную разницу между двумя нуклеиновые кислоты.

Однако, как вы увидите, как это часто бывает в химии, то, что кажется крошечной разницей на атомном уровне, имеет очевидные и глубокие практические последствия.

Нуклеиновые кислоты состоят из нуклеотидов, которые представляют собой вещества, которые сами по себе состоят из трех различных химических групп: пентозный сахар, от одного до трех фосфатные группы и азотистая основа.

Пентозный сахар в РНК - это рибоза, а в ДНК - дезоксирибоза. Кроме того, в нуклеиновых кислотах нуклеотиды имеют только одну фосфатную группу. Одним из примеров хорошо известного нуклеотида, который может похвастаться множеством фосфатных групп, является АТФ, или аденозинтрифосфат. ADP (аденозиндифосфат) участвует во многих из тех же процессов, что и АТФ.

Одиночные молекулы ДНК могут быть необычайно долго и может распространяться на всю хромосому. Молекулы РНК гораздо более ограничены по размеру, чем молекулы ДНК, но по-прежнему квалифицируются как макромолекулы.

Рибоза (сахар РНК) имеет пятиатомное кольцо, которое включает четыре из пяти атомов углерода в сахаре. Три из остальных заняты гидроксильными (–OH) группами, одна атомом водорода и одна гидроксиметильной (–CH2OH) группой.

Единственная разница в дезоксирибоза (сахар ДНК) состоит в том, что одна из трех гидроксильных групп (одна в положении с 2 атомами углерода) исчезла и заменена атомом водорода.

Кроме того, хотя и ДНК, и РНК содержат нуклеотиды с одним из четырех возможных азотистых оснований, они незначительно различаются между двумя нуклеиновыми кислотами. ДНК содержит аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тимин. тогда как РНК имеет A, C и G, но урацил (U) вместо тимина.

Большинство функциональных различий между ДНК и РНК связано с их совершенно разными ролями в клетках. ДНК - это место, где хранится генетический код для жизни - не только для воспроизводства, но и для повседневной жизнедеятельности.

РНК или, по крайней мере, мРНК, отвечает за сбор той же информации и ее передачу рибосомам. вне ядра, где построены белки, которые позволяют выполнять вышеупомянутые метаболические виды деятельности.

Последовательность оснований нуклеиновой кислоты - это то место, где передаются ее специфические сообщения, а азотистая Таким образом, можно сказать, что основания в конечном итоге ответственны за различия между животными одного и того же вида - что является, разные проявления одной и той же черты (например, цвет глаз, рисунок волос на теле).

Два основания в нуклеиновых кислотах (A и G) являются пуринами, а два (C и T в ДНК; C и U в РНК) - пиримидины. Молекулы пурина содержат два конденсированных кольца, в то время как пиримидины имеют только одно и в целом меньше по размеру. Как вы скоро узнаете, молекула ДНК двухцепочечный из-за связи между нуклеотиды в соседних прядях.

Пуриновое основание может связываться только с пиримидиновым основанием, потому что два пурина занимают слишком много места. между нитями и двумя пиримидинами слишком мало, комбинация пурин-пиримидин является правильной размер.

Но на самом деле все находится под более строгим контролем, чем это: в нуклеиновых кислотах, Аоблигации только дляТ (или жеU в РНК), тогда как C связывается только с G.

Полное описание молекулы ДНК как двухцепочечная спираль в 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик в конечном итоге принесли дуэту Нобелевскую премию, хотя за работу по дифракции рентгеновских лучей Розалинда Франклин в годы, приведшие к этому достижению, сыграла важную роль в успехе пары, и ее часто недооценивают. книги по истории.

В природе, ДНК существует как спираль потому что это наиболее энергетически выгодная форма для конкретного набора молекул, который он содержит.

Боковые цепи, основания и другие части молекулы ДНК испытывают правильное сочетание электрохимического притяжения и электрохимического воздействия. отталкивания так, чтобы молекула была наиболее "удобной" в форме двух спиралей, слегка смещенных друг относительно друга, как переплетенные спирали. лестницы.

Нити ДНК состоят из чередующихся фосфатных групп и остатков сахара, причем азотистые основания присоединены к другой части сахарной части. Нить ДНК или РНК удлиняется благодаря водородным связям, образованным между фосфатной группой одного нуклеотида и остатком сахара следующего.

В частности, фосфат на атоме углерода номер 5 (часто обозначается как 5 ') входящего нуклеотида. вместо гидроксильной группы на атоме углерода номер 3 (или 3 ') растущего полинуклеотида (небольшой нуклеиновый кислота). Это известно как фосфодиэфирная связь.

Между тем, все нуклеотиды с основаниями A выстраиваются в ряд с нуклеотидами с основаниями T в ДНК и нуклеотидами с основаниями U в РНК; C однозначно соединяется с G в обоих.

Две цепи молекулы ДНК называются дополнительный друг другу, потому что последовательность оснований одного может быть определена с использованием последовательности оснований другого, благодаря простой схеме спаривания оснований молекул нуклеиновых кислот.

РНК, как уже отмечалось, необычайно похожа на ДНК на химическом уровне: только одно азотистое основание из четырех является различным, и единственный «лишний» атом кислорода в сахаре РНК. Очевидно, что этих, казалось бы, тривиальных различий достаточно, чтобы гарантировать существенно различающееся поведение биомолекул.

Примечательно, что РНК одноцепочечный. То есть вы не увидите термин «комплементарная цепь» в контексте этой нуклеиновой кислоты. Однако разные части одной и той же цепи РНК могут взаимодействовать друг с другом, а это означает, что форма РНК на самом деле различается больше, чем форма ДНК (неизменно двойная спираль). Соответственно, существует множество различных типов РНК.

• мРНК, или информационная РНК, использует комплементарное спаривание оснований для передачи сообщения ДНК во время транскрипции в рибосомы, где это сообщение транслируется в синтез белка. Транскрипция подробно описана ниже.
• рРНК, или рибосомная РНК, составляет значительную часть массы рибосом, структур внутри клеток, ответственных за синтез белка. Остальная часть рибосом состоит из белков.
• тРНК, или РНК-переносчик, играет решающую роль в трансляции, доставляя аминокислоты, предназначенные для растущей полипептидной цепи, к месту, где собираются белки. В природе существует 20 аминокислот, каждая из которых имеет свою тРНК.
  

Представьте, что вам представлена ​​цепь нуклеиновой кислоты с последовательностью оснований AAATCGGCATTA. Основываясь только на этой информации, вы сможете быстро прийти к двум выводам.

Во-первых, это ДНК, а не РНК, о чем свидетельствует присутствие тимина (Т). Второе, что вы можете сказать, это то, что комплементарная цепь этой молекулы ДНК имеет последовательность оснований TTTAGCCGTAAT.

Вы также можете быть уверены в цепи мРНК, которая может возникнуть в результате транскрипции этой цепи ДНК. Было бы то же самое последовательность оснований как комплементарная цепь ДНК, причем любые случаи замены тимина (T) на урацил (U).

Это связано с тем, что репликация ДНК и транскрипция РНК действуют одинаково в том смысле, что цепь, сделанная из цепи матрицы, является не дубликат этой нити, но его дополнение или эквивалент в РНК.

Чтобы молекула ДНК могла сделать копию самой себя, две нити двойной спирали должны разделиться в непосредственной близости от копирования. Это связано с тем, что каждая нить копируется (реплицируется) отдельно, а также потому, что ферменты и другие молекулы, которые принимают участие в Репликация ДНК необходимо пространство для взаимодействия, чего не может обеспечить двойная спираль. Таким образом, две нити становятся физически разделенными, и говорят, что ДНК денатурированный.

Каждая отделенная цепь ДНК создает новую цепь, комплементарную самой себе, и остается связанной с ней. Так что, в некотором смысле, каждая новая двухцепочечная молекула ничем не отличается от ее родительской. Химически они обладают такой же молекулярный состав. Но одна из нитей в каждой двойной спирали совершенно новая, а другая осталась от самой репликации.

Когда репликация ДНК происходит одновременно по разделенным комплементарным цепям, синтез новых цепей фактически происходит в противоположных направлениях. С одной стороны, новая цепь просто растет в направлении «расстегиваемой» ДНК по мере ее денатурирования.

С другой стороны, синтезируются небольшие фрагменты новой ДНК. далеко от направления отделения прядей. Они называются фрагментами Окадзаки и соединяются ферментами по достижении определенной длины. Эти две новые цепи ДНК антипараллельный друг другу.

Транскрипция РНК похожа на репликацию ДНК в том, что для ее начала требуется разрушение цепей ДНК. мРНК образуется вдоль матрицы ДНК путем последовательного добавления нуклеотидов РНК ферментом РНК-полимеразой.

Эта первоначальная транскрипция РНК, созданная из ДНК, создает то, что мы называем пре-мРНК. Эта пре-мРНК цепь содержит оба интроны и экзоны. Интроны и экзоны - это участки ДНК / РНК, которые кодируют или не кодируют части продукта гена.

Интроны являются разделами без кодирования (также называемые "intошибочные разделы ") в то время как экзоны разделы кодирования (также называемые "бывшийпрессованные разделы »).

Прежде чем эта цепь мРНК покинет ядро ​​для трансляции в белок, ферменты в ядре вырезают, иначе говоря, вырезают интроны, поскольку они ничего не кодируют в этом конкретном гене. Затем ферменты соединяют оставшиеся интронные последовательности, чтобы получить конечную цепь мРНК.

Одна цепь мРНК обычно включает в себя именно ту последовательность оснований, которая необходима для сборки одного уникального белка, расположенного ниже по течению перевод процесс, что означает, что одна молекула мРНК обычно несет информацию для одного ген. Ген - это последовательность ДНК, которая кодирует определенный белковый продукт.

После завершения транскрипции нить мРНК выводится из ядра через поры ядерной оболочки. (Молекулы РНК слишком велики, чтобы просто диффундировать через ядерную мембрану, как и вода и другие маленькие молекулы). Затем он "стыкуется" с рибосомы в цитоплазме или в определенных органеллах, и синтез белка инициирован.

Нуклеиновые кислоты не могут быть метаболизированы в качестве топлива, но они могут быть созданы из очень маленьких молекул или разбиты из их полной формы на очень маленькие части. Нуклеотиды синтезируются посредством анаболических реакций, часто из нуклеозидов, которые представляют собой нуклеотиды без каких-либо фосфатных групп (то есть нуклеозид представляет собой сахар рибозы плюс азотистое основание).

ДНК и РНК также могут разлагаться: от нуклеотидов до нуклеозидов, затем до азотистых оснований и, в конечном итоге, до мочевой кислоты.

Распад нуклеиновых кислот важен для общее самочувствие. Например, неспособность расщеплять пурины связана с подагрой, болезненным заболеванием, поражающим некоторые суставы из-за отложений кристаллов уратов в этих местах.