В состав нуклеотидов рнк входит сахар рибоза: Строение нуклеотидов

Вначале была РНК? В поисках молекулы первожизни

Когда человек приобрел разум, а с ним и способность к абстрактному мышлению, он стал пленником непреодолимой потребности все объяснить. Резкое отличие живого, растущего, от мертвого, неподвижного, слишком бросалось в глаза, чтобы его можно было проигнорировать.

На самой ранней заре своей истории, когда человек приобрел разум, а с ним и способность к абстрактному мышлению, он стал пленником непреодолимой потребности все объяснить. Почему светят Солнце и Луна? Почему текут реки? Как устроен мир? Безусловно, одним из самых главных был вопрос о сути живого. Резкое отличие живого, растущего, от мертвого, неподвижного, слишком бросалось в глаза, чтобы его можно было проигнорировать.

Первый вирус, описанный Д. Ивановским в 1892 году, — вирус табачной мозаики. Благодаря этому открытию стало ясно, что существуют живые создания более примитивные, чем клетка.

Русский микробиолог Д. И. Ивановский (1864-1920), основоположник вирусологии.

В 1924 году А. И. Опарин (1894-1980) высказал предположение, что в атмосфере молодой Земли, состоявшей из водорода, метана, аммиака, углекислого газа и паров воды, могли синтезироваться аминокислоты, которые затем спонтанно соединились в белки.

Американский биолог Освальд Эвери убедительно продемонстрировал в опытах с бактериями, что именно нуклеиновые кислоты отвечают за передачу наследственных свойств.

Сравнительная структура РНК и ДНК.

Двумерная пространственная структура рибозима простейшего организма Tetrahymena.

Схематическое изображение рибосомы — молекулярной машины для синтеза белка.

Схема процесса ‘эволюции в пробирке’ (селекс-метод).

Луи Пастер (1822-1895) первым обнаружил, что кристаллы одного и того же вещества — винной кислоты — могут иметь две зеркально-симметричные пространственные конфигурации.

В начале 1950-х годов Стенли Миллер из Чикагского университета (США) проделал первый эксперимент, моделирующий химические реакции, которые могли протекать в условиях молодой Земли.

Хиральные молекулы, например аминокислоты, зеркально симметричны, как левая и правая рука. Сам термин ‘хиральность’ происходит от греческого слова ‘хирос’ — рука.

Теория РНК-мира.

Наука и жизнь // Иллюстрации

На каждом этапе истории люди предлагали свое решение загадки появления жизни на нашей планете. Древние, не знавшие слова «наука», находили для неизвестного простое и доступное объяснение: «Все, что есть вокруг, было когда-то и кем-то создано». Так появились боги.

Со времен зарождения древних цивилизаций в Египте, Китае, затем и в колыбели современной науки — Греции, вплоть до Средних веков, основным методом познания мира служили наблюдения и мнения «авторитетов». Постоянные наблюдения однозначно свидетельствовали, что живое при соблюдении определенных условий появляется из неживого: комары и крокодилы — из болотной тины, мухи — из гниющей пищи, а мыши — из грязного белья, пересыпанного пшеницей. Важно лишь соблюсти определенную температуру и влажность.

Европейские «ученые» Средневековья, опираясь на религиозную догму о сотворении мира и непостижимости божественных замыслов, считали возможным спорить о зарождении жизни только в рамках Библии и религиозных писаний. Суть сотворенного Богом невозможно постичь, а можно лишь «уточнить», пользуясь сведениями из священных текстов или находясь под влиянием божественного вдохновения. Проверять гипотезы в то время считалось плохим тоном, и всякая попытка подвергнуть сомнению мнение святой церкви рассматривалась как дело небогоугодное, ересь и святотатство.

Познание жизни топталось на месте. Вершиной научной мысли в течение двух тысяч лет оставались достижения философов Древней Греции. Наиболее значимыми из них были Платон (428/427 — 347 гг. до н. э.) и его ученик Аристотель (384 — 322 гг. до н. э.). Платон в числе прочего предложил идею одушевления изначально неживой материи благодаря вселению в нее бессмертной нематериальной души — «психеи». Так появилась теория самозарождения живого из неживого.

Великое для науки слово «эксперимент» пришло с эпохой Возрождения. Две тысячи лет понадобились для того, чтобы человек решился усомниться в непреложности авторитетных утверждений ученых древности. Одним из первых смельчаков, известных нам, стал итальянский врач Франсиско Реди (1626 — 1698). Он провел чрезвычайно простой, но эффектный опыт: поместив в несколько сосудов по куску мяса, одни из них накрыл плотной тканью, другие — марлей, а третьи оставил открытыми. Тот факт, что личинки мух развивались только в открытых сосудах (на которые могли садиться мухи), но не в закрытых (к которым все же был доступ воздуха), резко противоречил верованиям сторонников Платона и Аристотеля о непостижимой жизненной силе, носящейся в воздухе и превращающей неживую материю в живую.

Этот и подобные ему опыты положили начало периоду ожесточенных сражений между двумя группами ученых: виталистами и механистами. Суть спора состояла в вопросе: «Может ли функционирование (и появление) живого быть объяснено физическими законами, применимы ми также и к неживой материи?» Виталисты отвечали на него отрицательно.

«Клетка — только из клетки, все живое — только от живого!» Это положение, выдвинутое в середине XIX века, стало знаменем витализма. Самое парадоксальное в этом споре то, что даже сегодня, зная о «неживой» природе составляющих наш организм атомов и молекул и в общем согласившись с механистической точкой зрения, ученые не имеют экспериментального подтверждения возможности зарождения клеточной жизни из неодушевленной материи. Никому еще не удалось «составить» даже самую примитивную клетку из «неорганических», присутствующих вне живых организмов, «деталей». А значит, окончательную точку в этом эпохальном споре еще предстоит поставить.

Так как же могла возникнуть жизнь на Земле? Разделяя позиции механистов, легче всего конечно же представить, что жизнь сначала должна была возникнуть в какой-нибудь очень простой, примитивно устроенной форме. Но, несмотря на простоту строения, это все же должна быть Жизнь, то есть то, что обладает минимальным набором свойств, отличающих живое от неживого.

Каковы же они, эти критически важные для жизни свойства? Что, собственно, отличает живое от неживого?

До конца XIX века ученые были убеждены, что все живое построено из клеток, и это является самым очевидным отличием его от неживой материи. Так считали до открытия вирусов, которые, хотя и меньше всех известных клеток, могут активно заражать другие организмы, размножаться в них и производить потомство, обладающее такими же (или очень похожими) биологическими свойствами. Первый из обнаруженных вирусов, вирус табачной мозаики, описан русским ученым Дмитрием Ивановским (1864-1920) в 1892 году. С той поры стало ясно, что более примитивные создания, чем клетки, могут также претендовать на право называться Жизнью.

Открытие вирусов, а затем и еще более примитивных форм живого — вироидов позволило в итоге сформулировать минимальный набор свойств, которые необходимы и достаточны, чтобы исследуемый объект можно было назвать живым. Во-первых, он должен быть способен к воспроизводству себе подобных. Это, однако, не единственное условие. Если бы гипотетическая первородная субстанция жизни (например, примитивная клетка или молекула) была способна лишь просто производить свои точные копии, она в итоге не смогла бы выжить в меняющихся условиях окружающей среды на молодой Земле и образование других, более сложных форм (эволюция) стало бы невозможным. Следовательно, нашу предполагаемую примитивную «субстанцию первожизни» можно определить как нечто, устроенное максимально просто, но при этом способное изменяться и передавать свои свойства потомкам.

Что же может претендовать на звание такой «первичной жизненной субстанции»? Совершим еще один небольшой исторический экскурс, чтобы посмотреть, как сменялись «фавориты», претендовавшие на звание первожизни.

КАНДИДАТЫ В МОЛЕКУЛЫ ПЕРВОЖИЗНИ

Чтобы понять, как устроена жизнь, в первую очередь необходимо было установить, из каких компонентов состоит живая материя и что ее в этом отношении отличает от материи неживой.

Затем требовалось определить, какие из этих компонентов отвечают за самое важное свойство живого — передачу наследственных свойств от родителей потомкам.

Конечно, в наше время бурного развития биологии ответы на эти вопросы кажутся яснее ясного, однако всего несколько десятилетий назад ученым пришлось немало поломать над ними головы.

Тот факт, что живая материя отличается от неживой по составу, был очевиден уже для естествоиспытателей древности. Все живое более хрупко и неустойчиво — отмечали они. Если сильно нагреть что-либо неживое — воду или камень, они после остужения снова превращают ся в исходную форму. Если то же проделать с живым — оно либо меняется, либо разрушается. Какие же вещества определяют эту существенную разницу?

1
2
3
4
5
Следующая страница

Читайте в любое время

Оформить подписку

№2, 2004

Наука: Наука и техника: Lenta.

Уже много десятилетий биологи, химики и даже математики работают над проблемой зарождения жизни. И хотя уже существуют научно обоснованные и подкрепленные гипотезы химической эволюции до появления первой клетки, работы в этом направлении продолжаются. «Лента.ру» рассказывает о новом исследовании, посвященном проблеме РНК-мира, результаты которого опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ученые из Портлендского государственного университета, проводя эксперименты над рибозимами, выяснили, что способность этих молекул катализировать собственную сборку зависит от их взаимодействия с другими подобными молекулами. Исследование косвенно подкрепляет гипотезу РНК-мира, которая гласит, что первой органической молекулой, ставшей основой для первых клеток, была РНК. Эти молекулы РНК были способны самосинтезироваться, конкурировать друг с другом и участвовать в пребиотической эволюции, когда наиболее успешные соединения становились базой для более сложных химических комплексов.

Многим известно, что в живых клетках имеются свои специальные катализаторы: ферменты, представляющие собой сложно свернутые белковые молекулы, осуществляющие жизненно важные реакции. Однако ферментами могут быть не только белки, но и цепочки РНК. Напомним, РНК — это нуклеиновая кислота, очень похожая на ДНК, но отличается от нее тем, что в ее состав входит сахар рибоза (а не дезоксирибоза), а одно из азотистых оснований — тимин — заменен на урацил. По мнению ученых, РНК появилась раньше ДНК, поскольку она гораздо стабильнее и может осуществлять каталитические реакции без помощи белков. Молекулы РНК, являющиеся ферментами, называются рибозимами. Как правило, рибозимы катализируют расщепление самих себя или других молекул РНК.

Одним из самых хорошо изученных рибозимов является Azo — фермент, который изготавливается учеными из самовырезающихся интронов группы I, содержащихся в ДНК бактерии Azoarcus. Интроны — это участки генов, которые не содержат информации о последовательности белка или нуклеиновой кислоты, и вырезаются во время созревания информационной РНК (иРНК). Все интроны группы I катализируют свое собственное вырезание из последовательности РНК. Интересующий ученых интрон-рибозим Azo находится в гене, который кодирует транспортную РНК (тРНК), несущую аминокислоту изолейцин. Внутри клетки Azo, как и другие рибозимы, осуществляет свое собственное вырезание из тРНК, однако в лабораторных условиях он смог научиться осуществлять обратный сплайсинг: рибозим разрезает в определенном месте субстрат — короткую молекулу РНК с определенной последовательностью нуклеотидов, кусочки которого остаются прикрепленными к Azo.

Структура рибозима бактерии Azoarcus. Красным обозначен фрагмент IGS

Изображение: Jessica A. M. Yeates et al. Department of Chemistry, Portland State University.

Azo состоит примерно из 200 нуклеотидов и может распадаться на два, три или четыре фрагмента, которые спонтанно собираются вместе при температуре 42 градуса Цельсия в присутствии раствора MgCl2. Процесс самосборки начинается со взаимодействия между двумя тройками нуклеотидов (триплетами), принадлежащими разным фрагментам РНК. Когда между триплетами образуются водородные связи по принципу комплементарности, части рибозима меняют свою пространственную структуру и воссоединяются друг с другом. Ученые сфокусировались на реакции самосборки двух фрагментов, которые условно назвали WXY и Z, где W, X, Y и Z представляют собой отдельный участки рибозима длиной примерно в 50 нуклеотидов (Рис.1). На участке W, на переднем конце молекулы РНК, располагается один из триплетов, который участвует в инициации самосборки и называется «внутренней гидирующей последовательностью» (internal guide sequence — IGS). На конце WXY находится триплет tag, который, взаимодействуя с IGS, образует прочную ковалентную связь с фрагментом Z.

Исследователи создали различные варианты (генотипы) фрагментов WXY, меняя нуклеотиды, находящиеся в серединке триплетов IGS и tag (нуклеотиды M и N соответственно). Так как молекулы РНК обычно образованы всего четырьмя типами нуклеотидов, таких вариантов оказалось 16. Например, одним из генотипов может быть 5′-GGG-WXY-CAU-3′, а другим 5′-GСG-WXY-CUU-3′. Все эти варианты молекул могут конкурировать друг с другом, формируя различные метаболические сети, в которых общий ресурс — молекула Z — требуется для восстановления целого рибозима.

Реакция между различными фрагментами рибозима Azo с образованием целой молекулы

Изображение: Jessica A. M. Yeates et al. Department of Chemistry, Portland State University.

В своих экспериментах ученые сначала проверили способность каждого генотипа к самосборке в отдельности. Когда M и N формируют пары Уотсона-Крика (то есть по принципу комплементарности, А — U, C — G), скорость самосборки рибозима становится выше, чем для других типов пар. Затем исследователи смоделировали условия теплого «маленького пруда», в котором различные пребиотические молекулы, взаимодействуя между собой, приобретают выгоды друг от друга и ускоряют процессы самоорганизации. Биохимики проследили за поведением генотипов в паре друг с другом, всего ученые изучили 120 пар, состоящих из двух непохожих вариантов WXY. Они измерили скорость каждой реакции, проходившей между молекулами двух генотипов WXY и фрагментами Z внутри отдельных пробирок в течение 30 минут.

Взаимодействие между последовательностями различных фрагментов рибозима с помощью водородных связей

Изображение: Jessica A. M. Yeates et al. Department of Chemistry, Portland State University.

Совместив результаты обоих этапов эксперимента и получив скорости самосборки при взаимодействии двух различных генотипов, исследователи поставили эволюционный эксперимент. Пары генотипов были смешаны в одинаковой пропорции, снабжены Z-фрагментами и реагировали друг с другом в течение пяти минут. В течение этого времени ученые отбирали 10 процентов раствора в новую пробирку, в которой присутствовало большее количество непрореагировавших WXY каждого генотипа и Z-фрагменты. Ученые отслеживали соотношения каждого WXYZ-генотипа в течение восьми таких переносов. Это позволило оценить химический эквивалент эволюционной успешности рибозимов в течение поколений, которая наблюдалась как «взрыв» — то есть сильное увеличение скорости самосборки РНК. В эволюционном эксперименте биологи изучали взаимодействие семи пар рибозимов.

На основе всех лабораторных экспериментов ученые вывели математическую модель дифференциальных уравнений, учитывающих скорость самосборки генотипов в присутствие других генотипов или без них. Эта модель стала основой для новой эволюционной теории игр, где определяются несколько поведений молекул РНК. В одном случае, называемом «Доминирование», один из генотипов всегда встречается чаще, чем другой, при том что его скорость самосборки всегда превышает скорость конкурента. В другом случае — «Кооперация» — оба генотипа, что взаимодействуют друг с другом, получают от «сотрудничества» выгоду, и скорость их самосборки превышает ту, что была бы у них в отдельности друг от друга. «Эгоистичный сценарий» — прямая противоположность «Кооперации» — означает, что каждый рибозим в отдельности получает больше, чем при взаимодействии с кем-то еще. И, наконец, в «Контрдоминировании» генотип с низкой скоростью самосборки неожиданно начинает встречаться чаще, чем его конкурент.

Это исследование не направлено на прямое доказательство гипотезы РНК-мира, однако оно представляет собой еще один элемент в мозаике научных представлений о пребиотической эволюции. Впервые показано, что энзиматические свойства отдельных молекул могут улучшаться в присутствии других молекул, которые отличаются всего лишь одним-двумя нуклеотидами. В гигантском растворе, которым были земные океаны на заре существования жизни, эти молекулы конкурировали друг с другом за субстраты, сотрудничали и усиливали свое действие. На основе этого уже можно предполагать, почему сложные органические соединения стремились объединяться в системы, представляющие собой прообразы первых клеток.

4.4: Нуклеиновые кислоты — биология LibreTexts

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 8394

В биологии есть два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. ДНК несет наследуемую генетическую информацию клетки и состоит из двух антипараллельных нитей нуклеотидов, расположенных в виде спирали. Каждая нуклеотидная субъединица состоит из пентозного сахара (дезоксирибозы), азотистого основания и фосфатной группы. Две нити связаны водородными связями между химически комплементарными азотистыми основаниями. Взаимодействия, известные как взаимодействия «базового укладки», также помогают стабилизировать двойную спираль. В отличие от ДНК, РНК может быть как одноцепочечной, так и двухцепочечной. Он также состоит из пентозного сахара (рибозы), азотистого основания и фосфатной группы. РНК — это молекула майских трюков. Он участвует в синтезе белка в качестве мессенджера, регулятора и катализатора процесса. РНК также участвует в различных других клеточных регуляторных процессах и помогает катализировать некоторые ключевые реакции (подробнее об этом позже). Что касается РНК, то в этом курсе нас в первую очередь интересует (а) знание основной молекулярной структуры РНК и того, что отличает ее от ДНК, (б) понимание основных химических процессов синтеза РНК, происходящего во время процесса, называемого транскрипцией, (в). ) оценить различные роли, которые РНК может играть в клетке, и (г) изучить основные типы РНК, с которыми вы будете чаще всего сталкиваться (т. е. мРНК, рРНК, тРНК, микроРНК и т. д.), и связать их с процессами, в которых они участвуют с. В этом модуле мы сосредоточимся в первую очередь на химических структурах ДНК и РНК и на том, как их можно отличить друг от друга.

Структура нуклеотидов

Два основных типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК) . ДНК и РНК состоят из мономеров, известных как нуклеотидов . Отдельные нуклеотиды конденсируются друг с другом с образованием полимера нуклеиновой кислоты . Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов: азотистого основания (для которого существует пять различных типов), пентозного сахара и фосфатной группы. Они изображены ниже. Основное различие между этими двумя типами нуклеиновых кислот заключается в наличии или отсутствии гидроксильной группы у С9. 0036 2 положение, также называемое 2′-положением ( читается как «два штриха» ) пентозы (см. Легенду к Рисунку 1 и раздел, посвященный пентозному сахару, для получения дополнительной информации о нумерации атомов углерода). РНК имеет функциональную гидроксильную группу в этом 2′-положении пентозного сахара; сахар называется рибозой, отсюда и название нуклеиновой кислоты рибо . Напротив, в ДНК отсутствует гидроксильная группа в этом положении, отсюда и название «дезокси» рибо нуклеиновая кислота. ДНК имеет атом водорода в положении 2′.

Азотистое основание

Азотистые основания нуклеотидов являются органическими молекулами и названы так потому, что они содержат углерод и азот. Они являются основаниями, потому что содержат аминогруппу, которая может связывать дополнительный водород и, таким образом, действовать как основание, уменьшая концентрацию ионов водорода в локальной среде. Каждый нуклеотид в ДНК содержит одно из четырех возможных азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). Напротив, РНК содержит аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и урацил (U) вместо тимина (T).

Аденин и гуанин классифицируются как пурины . Основной отличительной структурной особенностью пурина является двойное углеродно-азотное кольцо. Цитозин, тимин и урацил классифицируются как пиримидинов . Они структурно отличаются одним углеродно-азотным кольцом. Предполагается, что вы поймете, что каждая из этих кольцевых структур украшена функциональными группами, которые могут быть вовлечены в различные химические процессы и взаимодействия.

Примечание: практика

Найдите время, чтобы просмотреть азотистые основания на рисунке 1. Определите функциональные группы, как описано в классе. Для каждой идентифицированной функциональной группы опишите, в каком типе химии она, по вашему мнению, будет участвовать. Попытайтесь определить, может ли функциональная группа действовать как донор водородной связи, акцептор или и то, и другое?

Сахар пентоза

Сахар пентоза содержит пять атомов углерода. Каждый атом углерода в молекуле сахара пронумерован как 1′, 2′, 3′, 4′ и 5′ (1′ читается как «один штрих»). Две основные функциональные группы, связанные с сахаром, часто называют в связи с углеродом, с которым они связаны. Например, фосфатный остаток присоединен к 5′-углероду сахара, а гидроксильная группа присоединена к 3′-углероду сахара. Мы будем часто использовать число атомов углерода для обозначения функциональных групп нуклеотидов, поэтому хорошо знакомы со структурой пентозного сахара.

Сахар-пентоза в ДНК называется дезоксирибозой, а в РНК — рибозой. Различие между сахарами заключается в наличии гидроксильной группы на 2′-углероде рибозы и ее отсутствии на 2′-углероде дезоксирибозы. Таким образом, вы можете определить, смотрите ли вы на нуклеотид ДНК или РНК, по наличию или отсутствию гидроксильной группы у 2′-атома углерода — вас, вероятно, будут просить сделать это во многих случаях, включая экзамены.

Фосфатная группа

Может быть от одной до трех фосфатных групп, связанных с 5′-углеродом сахара. Когда один фосфат связан, нуклеотид обозначается как N нуклеотид M оно P фосфат (NMP). Если два фосфата связаны, нуклеотид обозначается как N нуклеотид D i P фосфат (NDP). Когда три фосфата связаны с нуклеотидом, он называется N нуклеотидом T ri 9.0040 P фосфат (NTP). Фосфоангидридные связи, соединяющие фосфатные группы друг с другом, обладают особыми химическими свойствами, которые делают их полезными для различных биологических функций. Гидролиз связей между фосфатными группами термодинамически экзергоничен в биологических условиях; природа разработала многочисленные механизмы, чтобы связать это негативное изменение свободной энергии, чтобы помочь управлять многими реакциями в клетке. На рис. 2 показана структура нуклеотидтрифосфата аденозинтрифосфата, АТФ, которую мы подробнее обсудим в других главах.

Примечание: «высокоэнергетические» связи

Термин «высокоэнергетическая связь» МНОГОЕ используется в биологии. Однако этот термин является словесным сокращением, которое может вызвать некоторую путаницу. Этот термин относится к количеству отрицательной свободной энергии, связанной с гидролизом рассматриваемой связи. Вода (или другой эквивалентный партнер реакции) вносит важный вклад в расчет энергии. В АТФ, например, простое «разрыв» фосфоангидридной связи — скажем, с помощью воображаемого молекулярного пинцета — путем отрыва фосфата было бы энергетически невыгодно. Поэтому мы должны быть осторожны, чтобы не сказать, что разрыв связей в АТФ энергетически выгоден или что он «высвобождает энергию». Скорее, следует быть более конкретным, отметив, что гидролиз их связи энергетически выгоден. Некоторые из этих распространенных заблуждений связаны, по нашему мнению, с использованием термина «высокоэнергетические связи». В то время как в Bis2a мы пытались свести к минимуму использование общеупотребительного термина «высокая энергия» применительно к связям, пытаясь вместо этого описать биохимические реакции, используя более конкретные термины, как студенты-биологи, вы, несомненно, столкнетесь с потенциально вводящими в заблуждение, хотя, по общему признанию, полезными терминами. — короткий путь к «высокоэнергетической связи», пока вы продолжаете учиться. Итак, помните об этом, когда читаете или слушаете различные дискуссии по биологии. Черт, используй этот термин сам. Просто убедитесь, что вы действительно понимаете, о чем идет речь.

Структура двойной спирали ДНК

ДНК имеет структуру двойной спирали (показана ниже), состоящую из двух нитей ковалентно связанных нуклеотидных субъединиц. Сахарные и фосфатные группы каждой цепи нуклеотидов расположены снаружи спирали, образуя основу ДНК (выделены оранжевыми лентами на рисунке 3). Две нити спирали идут в противоположных направлениях, а это означает, что 5′-углеродный конец одной нити будет обращен к 3′-углеродному концу соответствующей нити (см. рис. 4 и 5). Мы обозначили эту ориентацию двух нитей как антипараллельный . Обратите также внимание на то, что фосфатные группы изображены на рис. 3 в виде оранжевых и красных «палочек», выступающих из ленты. Фосфаты отрицательно заряжены при физиологических значениях pH и поэтому придают основной цепи ДНК сильный локальный отрицательно заряженный характер. Азотистые основания, напротив, сложены внутри спирали (они изображены в виде зеленых, синих, красных и белых палочек на рис. 3). Пары нуклеотидов взаимодействуют друг с другом через специфические водородные связи (показаны на рисунке 5). Каждая пара отделена от следующей пары оснований в лестнице на 0,34 нм, и эта тесная укладка и плоская ориентация приводят к энергетически выгодным взаимодействиям укладки оснований. Конкретная химия, связанная с этими взаимодействиями, выходит за рамки содержания Bis2a, но здесь она описана более подробно для любознательных или более продвинутых учащихся. Однако мы ожидаем, что учащиеся знают о том, что стекинг азотистых оснований способствует стабильности двойной спирали, и поручаем вашим преподавателям генетики и органической химии старших курсов заполнить химические детали.

В двойной спирали определенные комбинации спаривания оснований химически более предпочтительны, чем другие, в зависимости от типов и расположения функциональных групп на азотистых основаниях каждого нуклеотида. В биологии мы находим, что:

Аденин (A) химически комплементарен тимидину (T) (A пары с T)

Гуанин (G) химически комплементарен цитозину (C) (G пары с C).

Мы часто называем этот паттерн «комплементарностью оснований» и говорим, что антипараллельные нити комплементарны друг другу. Например, если последовательность одной цепи ДНК представляет собой 5′-AATTGGCC-3′, комплементарная цепь будет иметь последовательность 5′-GGCCAATT-3′.

Иногда мы предпочитаем представлять в тексте комплементарные двойные спиральные структуры, накладывая комплементарные нити друг на друга следующим образом:

5′ — GGCCAATTCCATACTAGGT — 3′

3′ — CCGGTTAAGGTATGATCCA — 5′

Обратите внимание, что 5′- и 3′-концы каждой нити помечены, и если пройтись по каждой нити, начиная с 5′-конца, 3′ конец, чтобы направление движения было противоположным другому для каждой нити; нити антипараллельны. Обычно мы говорим такие вещи, как «переход от 5 простых чисел к 3 простым» или «синтез 5 простых чисел к 3 простым», чтобы указать направление, в котором мы читаем последовательность, или направление синтеза. Начните привыкать к этой номенклатуре.

Функции и роль нуклеотидов и нуклеиновых кислот, на которые следует обратить внимание в Bis2a

В дополнение к их структурным функциям в ДНК и РНК нуклеотиды, такие как АТФ и ГТФ, также служат мобильными переносчиками энергии для клетки. Некоторые студенты удивляются, когда учатся понимать, что молекулы АТФ и ГТФ, которые мы обсуждаем в контексте биоэнергетики, — это те же самые молекулы, которые участвуют в образовании нуклеиновых кислот. Мы рассмотрим это более подробно, когда будем обсуждать реакции синтеза ДНК и РНК. Нуклеотиды также играют важную роль в качестве кофакторов во многих реакциях, катализируемых ферментами.

Нуклеиновые кислоты, в частности РНК, играют различные роли в клеточных процессах, помимо того, что они являются молекулами для хранения информации. Некоторые из ролей, на которые вы должны обратить внимание по мере прохождения курса, включают: (a) рибопротеиновые комплексы — комплексы РНК-белок, в которых РНК выполняет как каталитическую, так и структурную роль. Примеры таких комплексов включают рибосомы (рРНК), РНКазы, сплайсосомные комплексы и теломеразу. (b) Функции хранения и передачи информации. Эти роли включают такие молекулы, как ДНК, информационная РНК (мРНК), транспортная РНК (тРНК). с) регулирующие роли. Примеры их включают различные некодирующие (нкРНК). В Википедии есть исчерпывающая сводка различных типов известных молекул РНК, которую мы рекомендуем просмотреть, чтобы лучше понять большое функциональное разнообразие этих молекул.

4.4: Nucleic Acids распространяется по незаявленной лицензии и был создан, изменен и/или курирован LibreTexts.

Наверх

Была ли эта статья полезной?

Тип изделия
Раздел или Страница
Показать оглавление
нет
Теги

ДНК и РНК: значение и различие

Две макромолекулы, необходимые для наследственности во всех живых клетках, — это ДНК, дезоксирибонуклеиновая кислота, и РНК, рибонуклеиновая кислота. И ДНК, и РНК являются нуклеиновыми кислотами и выполняют жизненно важные функции в продолжении жизни.

Функции ДНК

Основной функцией ДНК является хранение генетической информации в структурах, называемых хромосомами. В эукариотических клетках ДНК находится в ядре, митохондриях и хлоропластах (только у растений). Между тем, прокариоты несут ДНК в нуклеоиде, который представляет собой область в цитоплазме, и плазмиды.

Функции РНК

РНК переносит генетическую информацию от ДНК, находящейся в ядре, к рибосомам , специализированные органеллы, состоящие из РНК и белков. Рибосомы особенно важны, так как здесь происходит трансляция (заключительный этап синтеза белка). Существуют различные типы РНК, такие как информационная РНК (мРНК), транспортная РНК (тРНК) и рибосомальная РНК (рРНК) , каждая из которых выполняет свою специфическую функцию.

мРНК является основной молекулой, ответственной за перенос генетической информации к рибосомам для трансляции, тРНК отвечает за перенос правильной аминокислоты к рибосомам, а рРНК образует рибосомы. В целом, РНК жизненно важна для создания белков, таких как ферменты.

У эукариот РНК находится в ядрышке, органелле внутри ядра и рибосомах. У прокариот РНК может находиться в составе нуклеоида, плазмиды и рибосомы.

Каковы структуры нуклеотидов?

ДНК и РНК представляют собой полинуклеотидов , что означает, что они представляют собой полимеры, состоящие из мономеров. Эти мономеры называются нуклеотидами. Здесь мы рассмотрим их структуру и то, чем они отличаются.

Структура нуклеотидов ДНК

Отдельный нуклеотид ДНК состоит из 3 компонентов:

Фосфатная группа
Сахар пентоза (дезоксирибоза)
Органическое азотистое основание

Выше вы увидите, как эти различные компоненты организованы в пределах одного нуклеотида. Существует четыре различных типа нуклеотидов ДНК, поскольку существует четыре различных типа азотистых оснований: аденин (А), тимин (Т), цитозин (С) и гуанин (G). Эти четыре различные базы можно разделить на две группы: пиримидин и пурин.

Пиримидиновые основания представляют собой более мелкие основания, так как они состоят из 1-углеродной кольцевой структуры. Пиримидиновые основания – тимин и цитозин. Пуриновые основания представляют собой более крупные основания, поскольку они представляют собой структуры с двумя углеродными кольцами. Пуриновые основания – аденин и гуанин.

Структура нуклеотида РНК

Нуклеотид РНК имеет структуру, очень похожую на нуклеотид ДНК, и, как и ДНК, состоит из трех компонентов:

Фосфатная группа
Сахар-пентоза (рибоза)
Органическое азотистое основание

Рис. 2. На схеме показана структура нуклеотида РНК

Структура одного нуклеотида РНК показана выше. Нуклеотид РНК может содержать четыре различных типа азотистых оснований: аденин, урацил, цитозин или гуанин. Урацил, пиримидиновое основание, представляет собой азотистое основание, которое встречается исключительно в РНК и не встречается в нуклеотидах ДНК.

Сравнение нуклеотидов ДНК и РНК

Основные различия между нуклеотидами ДНК и РНК:

Нуклеотиды ДНК содержат сахар дезоксирибозу, тогда как нуклеотиды РНК содержат сахар рибозу
Только нуклеотиды ДНК могут содержать тиминовое основание, тогда как только нуклеотиды РНК могут содержать урациловое основание

Основные сходства между нуклеотидами ДНК и РНК:

Оба нуклеотида содержат фосфатную группу
Оба нуклеотида содержат пентозный сахар
Оба нуклеотида содержат азотистое основание

Структура ДНК и РНК

Полинуклеотиды ДНК и РНК образуются в результате реакций конденсации между отдельными нуклеотидами. Фосфодиэфирная связь образуется между фосфатной группой одного нуклеотида и гидроксильной (ОН) группой у 3′-пентозного сахара другого нуклеотида. Динуклеотид создается, когда два нуклеотида соединяются вместе фосфодиэфирной связью. Полинуклеотид ДНК или РНК возникает, когда многие нуклеотиды соединяются вместе фосфодиэфирными связями. На приведенной ниже диаграмме показано, где фосфодиэфирная связь расположена между двумя нуклеотидами. Для разрыва фосфодиэфирных связей должна иметь место реакция гидролиза.

Динуклеотид состоит всего из 2 нуклеотидов, тогда как полинуклеотид состоит из МНОЖЕСТВА нуклеотидов!

Рис. 3. Диаграмма иллюстрирует фосфодиэфирную связь

Структура ДНК

Молекула ДНК представляет собой антипараллельную двойную спираль , состоящую из двух полинуклеотидных нитей. Он антипараллелен, поскольку нити ДНК идут в противоположных направлениях друг к другу. Две полинуклеотидные нити соединены водородными связями между комплементарными парами оснований, которые мы рассмотрим позже. Молекула ДНК также описывается как имеющая дезоксирибозо-фосфатный остов — в некоторых учебниках он также может называться сахаро-фосфатным остовом.

Структура РНК

Молекула РНК немного отличается от ДНК тем, что состоит только из одного полинуклеотида, который короче ДНК. Это помогает ему выполнять одну из своих основных функций, заключающуюся в передаче генетической информации от ядра к рибосомам — ядро содержит поры, через которые может проходить мРНК из-за своего небольшого размера, в отличие от ДНК, более крупной молекулы. Ниже вы можете наглядно увидеть, как ДНК и РНК отличаются друг от друга, как по размеру, так и по количеству полинуклеотидных нитей.

Рис. 4. На схеме показана структура ДНК и РНК

Что такое спаривание оснований?

Основания могут образовывать пары, образуя водородных связей , и это называется комплементарным спариванием оснований . Это удерживает 2 молекулы полинуклеотида в ДНК вместе и имеет важное значение для репликации ДНК и синтеза белка.

Комплементарное спаривание оснований требует присоединения пиримидинового основания к пуриновому основанию посредством водородных связей. В ДНК это означает

В РНК это означает

Рис. 5. Диаграмма показывает комплементарное спаривание оснований

Приведенная выше диаграмма помогает визуализировать количество водородных связей, образованных в комплементарном спаривании оснований. Хотя вам не нужно знать химическую структуру оснований, вам нужно знать количество образующихся водородных связей.

Из-за комплементарного спаривания оснований в паре оснований содержится одинаковое количество каждого основания. Например, если в молекуле ДНК примерно 23% гуаниновых оснований, то и цитозина будет примерно 23%.

Стабильность ДНК

Поскольку цитозин и гуанин образуют 3 водородные связи, эта пара прочнее, чем аденин и тимин, которые образуют только 2 водородные связи. Это способствует стабильности ДНК. Молекулы ДНК с высокой долей цитозин-гуаниновых связей более стабильны, чем молекулы ДНК с меньшей долей этих связей.

Другим фактором, стабилизирующим ДНК, является дезоксирибозофосфатный остов. Это удерживает пары оснований внутри двойной спирали, и такая ориентация защищает эти основания, обладающие высокой реакционной способностью.

Различия и сходства между ДНК и РНК

Важно знать, что хотя ДНК и РНК работают вместе, они также различаются. Используйте таблицу ниже, чтобы увидеть, чем эти нуклеиновые кислоты отличаются и похожи.

	DNA	RNA
Function	Stores genetic information	Protein synthesis — transfers genetic information to the ribosomes (transcription) and translation
Size	2 large polynucleotide strands	1 polynucleotide strand, relatively shorter than DNA
Structure	Anti-parallel double helix	Одноцепочечная цепь
Расположение в клетке (эукариоты)	Ядро, митохондрии, хлоропласт (у растений)	Nucleolus, ribosomes
Location in cell (prokaryotes)	Nucleoid, plasmid	Nucleoid, plasmid, ribosomes
Bases	Аденин, тимин, цитозин, гуанин	Аденин, урацил, цитозин, гуанин
Пентозный сахар	Дезоксирибоза	Рибоза

ДНК и РНК – ключевые выводы

ДНК хранит генетическую информацию, а РНК передает эту генетическую информацию рибосомам для трансляции.

Вначале была РНК? В поисках молекулы первожизни

Наука: Наука и техника: Lenta.