Нуклеїнові кислоти: структура, функції, типи та приклади

Нуклеїнові кислоти представляють одну з чотирьох основних категорій біомолекули, які є речовинами, з яких складаються клітини. Інші - білки, вуглеводи та ліпіди (або жири).

Нуклеїнові кислоти, до складу яких входить ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) і РНК (рибонуклеїнова кислота), відрізняються від інших трьох біомолекул тим, що вони не можуть метаболізуватися для постачання енергії батьківському організму.

(Ось чому ви не бачите "нуклеїнової кислоти" на етикетках з інформацією про харчування.)

Функція ДНК і РНК - зберігати генетичну інформацію. Повна копія вашої власної ДНК може бути знайдена в ядрі майже кожної клітини вашого тіла, завдяки чому ця агрегація ДНК - так звана хромосом у цьому контексті - швидше, як жорсткий диск портативного комп'ютера.

У цій схемі довжина РНК такого роду називається месенджер РНК містить закодовані інструкції лише для одного білкового продукту (тобто він містить один ген) і, отже, більше нагадує "флешку", що містить один важливий файл.

ДНК і РНК дуже тісно пов'язані. Одноразове заміщення атома водню (–H) у ДНК гідроксильною групою (–OH), приєднаною до відповідний атом вуглецю в РНК пояснює всю хімічну та структурну різницю між ними нуклеїнові кислоти.

Як ви побачите, однак, як це часто трапляється в хімії, те, що здається крихітною різницею на атомному рівні, має очевидні та глибокі практичні наслідки.

Нуклеїнові кислоти складаються з нуклеотидів - речовин, які самі складаються з трьох різних хімічних груп: а пентозний цукор, один до трьох фосфатні групи і a азотиста основа.

Пентозний цукор у РНК - це рибоза, тоді як у ДНК - дезоксирибоза. Крім того, в нуклеїнових кислотах нуклеотиди мають лише одну фосфатну групу. Одним із прикладів добре відомого нуклеотиду, який може похвалитися кількома фосфатними групами, є АТФ, або аденозинтрифосфат. ADP (аденозиндифосфат) бере участь у багатьох тих самих процесах, що і АТФ.

Одиничні молекули ДНК можуть бути надзвичайно довгий і може поширюватися на довжину цілої хромосоми. Молекули РНК набагато обмеженіші за розміри молекул ДНК, але все ще кваліфікуються як макромолекули.

Рибоза (цукор РНК) має п’ятиатомне кільце, що включає чотири з п’яти вуглеводнів цукру. Три інших зайняті гідроксильними (–ОН) групами, одна - атомом водню, друга - гідроксиметиловою (–СН2ОН).

Єдина різниця в дезоксирибоза (цукор ДНК) полягає в тому, що одна з трьох гідроксильних груп (та, що знаходиться у 2-вуглецевому положенні) зникла і замінена атомом водню.

Крім того, хоча і ДНК, і РНК містять нуклеотиди з однією з чотирьох можливих азотистих основ, вони незначно коливаються між двома нуклеїновими кислотами. ДНК містить аденін (A), цитозин (C), гуанін (G) та тимін. тоді як РНК має A, C та G, але урацил (U) замість тиміну.

Більшість функціональних відмінностей між ДНК і РНК пов'язані з їх помітно різною роллю в клітинах. ДНК - це місце, де зберігається генетичний код життя - не просто розмноження, а повсякденна життєва діяльність.

РНК або, принаймні, мРНК відповідає за збір тієї самої інформації та її надходження до рибосом поза ядром, де побудовані білки, що дозволяють здійснювати вищезазначений метаболізм діяльності.

Базова послідовність нуклеїнової кислоти - це місце, де передаються її специфічні повідомлення, а також азотиста Таким чином, можна сказати, що підстави в кінцевому підсумку відповідають за відмінності у тварин одного виду - це є, різні прояви однієї і тієї ж риси (наприклад, колір очей, малюнок волосся на тілі).

Дві основи нуклеїнових кислот (A і G) - це пурини, тоді як дві (C і T в ДНК; C і U в РНК) - це піримідини. Молекули пурину містять два злиті кільця, тоді як піримідини мають лише одне і взагалі менші. Як ви скоро дізнаєтесь, молекула ДНК є двожильна через зв'язок між нуклеотиди в сусідніх пасмах.

Пуринова основа може зв’язуватися лише з піримідиновою основою, оскільки два пурини займуть занадто багато місця між нитками та двома піримідинами занадто мало, причому комбінація пурин-піримідин є саме правильною розмір.

Але все насправді контролюється більш жорстко, ніж це: у нуклеїнових кислотах, Aоблігації лише доТ (абоU в РНК), тоді як C зв’язується лише з G.

Повний опис молекули ДНК як двожильна спіраль у 1953 р. Джеймсом Уотсоном та Френсісом Криком врешті-решт дует отримав Нобелівську премію, хоча дифракційна робота Розалінд Франклін у роки, що призвели до цього досягнення, сприяла успіху пари і часто недооцінюється книги з історії.

В природі, ДНК існує як спіраль тому що це найбільш енергетично вигідна форма для прийняття певного набору молекул, який вона містить.

Бічні ланцюги, основи та інші частини молекули ДНК відчувають правильну суміш електрохімічних привабливостей та електрохімічних відштовхування, щоб молекула була найбільш "зручною" у формі двох спіралей, трохи відсунутих одна від одної, як сплетені спіральні сходи.

Нитки ДНК складаються з фосфатних груп, що чергуються, та залишків цукру, азотисті основи прикріплені до іншої частини цукрової частини. Нитка ДНК або РНК подовжується завдяки водневим зв’язкам, що утворюються між фосфатною групою одного нуклеотиду та залишком цукру наступного.

Зокрема, приєднаний фосфат при вуглеці-5 (часто пишеться 5 ') вхідного нуклеотиду замість гідроксильної групи на вуглецю-3 (або 3 ') зростаючого полінуклеотиду (малий нуклеїновий кислота). Це відомо як фосфодіефірна зв'язок.

Тим часом усі нуклеотиди з основами А вибудовані з нуклеотидами з Т-основами в ДНК і нуклеотиди з U-основами в РНК; C одночасно поєднується з G в обох.

Кажуть, що це дві ланцюги молекули ДНК доповнює один одному, оскільки послідовність підстав однієї можна визначити, використовуючи послідовність підстав другої, завдяки простій схемі сполучення підстав, яку спостерігають молекули нуклеїнових кислот.

РНК, як зазначалося, надзвичайно схожа на ДНК на хімічному рівні, лише одна азотиста основа серед чотирьох є різною і один "зайвий" атом кисню в цукрі РНК. Очевидно, що цих, здавалося б, тривіальних відмінностей достатньо, щоб забезпечити суттєво різну поведінку між біомолекулами.

Примітно, що РНК є одножильне. Тобто ви не побачите терміну "комплементарна ланцюг", що використовується в контексті цієї нуклеїнової кислоти. Однак різні частини одного і того ж ланцюга РНК можуть взаємодіяти між собою, що означає, що форма РНК насправді змінюється більше, ніж форма ДНК (незмінно подвійна спіраль). Відповідно існує безліч різних типів РНК.

• мРНК, або РНК-месенджер, використовує додаткове сполучення основ для передачі повідомлення, яке ДНК передає йому під час транскрипції в рибосоми, де це повідомлення перетворюється на синтез білка. Транскрипція докладно описана нижче.
• рРНК, або рибосомна РНК, складає значну частину маси рибосом, структур всередині клітин, що відповідають за синтез білка. Решта маси рибосом складається з білків.
• тРНК, або перенесення РНК, відіграє вирішальну роль у трансляції шляхом переміщення амінокислот, призначених для зростаючого поліпептидного ланцюга, до місця, де збираються білки. У природі існує 20 амінокислот, кожна з яких має свою тРНК.
  

Уявіть, що вам представили ланцюг нуклеїнової кислоти з послідовністю підстав AAATCGGCATTA. Спираючись лише на цю інформацію, ви зможете швидко зробити дві речі.

Перший, що це ДНК, а не РНК, як виявляється присутністю тиміну (Т). Друге, що ви можете сказати, це те, що комплементарний ланцюг цієї молекули ДНК має базову послідовність TTTAGCCGTAAT.

Ви також можете бути впевнені в ланцюжку мРНК, який буде результатом цього ланцюга ДНК, що проходить транскрипцію РНК. Було б те саме послідовність основ як комплементарний ланцюг ДНК, причому будь-які випадки заміщення тиміну (Т) на урацил (U).

Це пов’язано з тим, що реплікація ДНК і транскрипція РНК діють однаково тим, що це ланцюг, виготовлений з матричної ланцюга, є не дублікат цієї нитки, але його комплемент або еквівалент в РНК.

Для того щоб молекула ДНК зробила свою копію, дві ланцюги подвійної спіралі повинні розділитися в безпосередній близькості від копіювання. Це пов’язано з тим, що кожна ланцюг копіюється (реплікується) окремо і тому, що ферменти та інші молекули, які беруть участь Реплікація ДНК потрібен простір для взаємодії, чого подвійна спіраль не забезпечує. Таким чином два ланцюги фізично розділяються, і, як кажуть, ДНК денатурований.

Кожен відокремлений ланцюг ДНК робить новий ланцюг комплементарним собі і залишається зв’язаним з ним. Отже, у певному сенсі ніщо не відрізняється в кожній новій дволанцюжковій молекулі від її батьківської. Хімічно вони мають однаковий молекулярний склад. Але одна нитка в кожній подвійній спіралі є абсолютно новою, тоді як інша залишилася від самої реплікації.

Коли реплікація ДНК відбувається одночасно вздовж відокремлених комплементарних ланцюгів, синтез нових ланцюгів фактично відбувається в протилежних напрямках. З одного боку, новий ланцюг просто росте в напрямку ДНК, яка «розпаковується», коли вона денатурована.

Однак з іншого боку синтезуються невеликі фрагменти нової ДНК далеко від напрямку поділу пасма. Вони називаються фрагментами Оказакі, і вони з’єднуються ферментами після досягнення певної довжини. Ці дві нові нитки ДНК є антипаралельний один одному.

Транскрипція РНК подібний до реплікації ДНК тим, що для її початку потрібне роз’єднання ланцюгів ДНК. мРНК утворюється вздовж матриці ДНК шляхом послідовного додавання нуклеотидів РНК ферментом РНК-полімеразою.

Ця початкова розшифровка РНК, створена з ДНК, створює те, що ми називаємо пре-мРНК. Цей ланцюг пре-мРНК містить обидва інтрони та екзони. Інтрони та екзони - це ділянки в ДНК / РНК, які або кодують, або не кодують частини генного продукту.

Інтрони є некодуючими розділами (також називаються "інтпосилання на розділи ") екзони - розділи кодування (також звані "напрпресовані секції ").

Перш ніж ця нитка мРНК залишає ядро ​​для перетворення в білок, ферменти всередині ядра акцизують, а саме вирізають, інтрони, оскільки вони не кодують нічого в цьому конкретному гені. Потім ферменти з'єднують решту послідовностей інтронів, щоб отримати остаточний ланцюг мРНК.

Один ланцюг мРНК зазвичай включає саме базову послідовність, необхідну для збирання одного унікального білка нижче за течією переклад процес, що означає, що одна молекула мРНК зазвичай несе інформацію для одного ген. Ген - це послідовність ДНК, яка кодує певний білковий продукт.

Після завершення транскрипції ланцюг мРНК вивозиться з ядра через пори в ядерній оболонці. (Молекули РНК занадто великі, щоб просто дифундувати через ядерну мембрану, як вода та інші дрібні молекули). Потім він "стикується" з рибосоми в цитоплазмі або в межах певних органел, і синтез білка ініціюється.

Нуклеїнові кислоти не можуть метаболізуватися для палива, але їх можна створити з дуже дрібних молекул або розбити з їх цілісної форми на дуже дрібні частини. Нуклеотиди синтезуються внаслідок анаболічних реакцій, часто з нуклеозидів, які є нуклеотидами мінус будь-які фосфатні групи (тобто нуклеозид - це цукор рибози плюс азотиста основа).

ДНК і РНК також можуть деградуватися: від нуклеотидів до нуклеозидів, потім до азотистих основ і, зрештою, до сечової кислоти.

Розпад нуклеїнових кислот важливий для загальний стан здоров’я. Наприклад, неможливість розщеплення пуринів пов’язана з подагрою - хворобливою хворобою, яка вражає деякі суглоби завдяки відкладенням кристалів уратів у цих місцях.