Czas, w którym żyjemy, naznaczony jest niesamowitymi zmianami, ogromnym postępem, kiedy ludzie otrzymują odpowiedzi na coraz więcej nowych pytań. Życie toczy się szybko do przodu, a to, co do niedawna wydawało się niemożliwe, zaczyna się spełniać. Całkiem możliwe, że to, co dziś wydaje się być fabułą z gatunku science fiction, wkrótce również nabierze cech rzeczywistości.
Jednym z najważniejszych odkryć drugiej połowy XX wieku były kwasy nukleinowe RNA i DNA, dzięki którym człowiek zbliżył się do rozwikłania tajemnic natury.
Kwasy nukleinowe
Kwasy nukleinowe to związki organiczne o właściwościach wielkocząsteczkowych. Składają się z wodoru, węgla, azotu i fosforu.
Zostały odkryte w 1869 roku przez F. Mieschera, który zbadał ropę. Jednak w tym czasie jego odkryciu nie przywiązywano większego znaczenia. Dopiero później, gdy kwasy te zostały znalezione we wszystkich komórkach zwierzęcych i roślinnych, przyszło zrozumienie ich ogromnej roli.
Istnieją dwa rodzaje kwasów nukleinowych: RNA i DNA (rybonukleinowy i deoksyrybonukleinowykwasy). Ten artykuł dotyczy kwasu rybonukleinowego, ale dla ogólnego zrozumienia zastanówmy się również, czym jest DNA.
Co to jest kwas dezoksyrybonukleinowy?
DNA to kwas nukleinowy składający się z dwóch nici, które są połączone zgodnie z prawem komplementarności wiązaniami wodorowymi zasad azotowych. Długie łańcuchy skręcone są w spiralę, jeden obrót zawiera prawie dziesięć nukleotydów. Średnica podwójnej helisy to dwa milimetry, odległość między nukleotydami to około pół nanometra. Długość jednej cząsteczki sięga czasami kilku centymetrów. Długość DNA jądra komórki ludzkiej wynosi prawie dwa metry.
Struktura DNA zawiera wszystkie informacje genetyczne. DNA ulega replikacji, co oznacza proces, podczas którego z jednej cząsteczki powstają dwie absolutnie identyczne cząsteczki potomne.
Jak już wspomniano, łańcuch składa się z nukleotydów, które z kolei składają się z zasad azotowych (adeniny, guaniny, tyminy i cytozyny) oraz reszty kwasu fosforowego. Wszystkie nukleotydy różnią się zasadami azotowymi. Wiązanie wodorowe nie występuje między wszystkimi zasadami, na przykład adenina może łączyć się tylko z tyminą lub guaniną. Tak więc w organizmie jest tyle samo nukleotydów adenylowych, co nukleotydów tymidylowych, a liczba nukleotydów guanylowych jest równa nukleotydom cytydylowym (reguła Chargaffa). Okazuje się, że sekwencja jednego łańcucha determinuje kolejność drugiego, a łańcuchy wydają się wzajemnie odzwierciedlać. Taki wzór, w którym nukleotydy dwóch łańcuchów są ułożone w uporządkowany sposób, a także są połączone selektywnie, nazywa sięzasada komplementarności. Oprócz związków wodorowych podwójna helisa oddziałuje również hydrofobowo.
Dwa łańcuchy znajdują się w przeciwnych kierunkach, to znaczy znajdują się w przeciwnych kierunkach. Dlatego naprzeciw końca trzech 'jednego jest koniec piąty drugiego łańcucha.
Na zewnątrz cząsteczka DNA przypomina spiralne schody, których balustrada jest szkieletem cukrowo-fosforanowym, a stopnie są komplementarnymi zasadami azotowymi.
Co to jest kwas rybonukleinowy?
RNA to kwas nukleinowy z monomerami zwanymi rybonukleotydami.
Pod względem właściwości chemicznych jest bardzo podobny do DNA, ponieważ oba są polimerami nukleotydów, które są fosforylowanym N-glikozydem zbudowanym na reszcie pentozy (cukru pięciowęglowego), z grupą fosforanową na piąty atom węgla i zasada azotowa przy pierwszym atomie węgla.
Jest to pojedynczy łańcuch polinukleotydowy (z wyjątkiem wirusów), który jest znacznie krótszy niż łańcuch DNA.
Jeden monomer RNA to pozostałości następujących substancji:
- zasady azotowe;
- pięciowęglowy monosacharyd;
- kwasy fosforowe.
RNA mają zasady pirymidynowe (uracyl i cytozyna) oraz purynowe (adenina, guanina). Ryboza jest monosacharydem nukleotydu RNA.
Różnice między RNA i DNA
Kwasy nukleinowe różnią się między sobą w następujący sposób:
- jego ilość w komórce zależy od stanu fizjologicznego, wieku i przynależności narządów;
- DNA zawiera węglowodanydezoksyryboza i RNA - ryboza;
- Zasadą azotową w DNA jest tymina, aw RNA jest to uracyl;
- klasy pełnią różne funkcje, ale są syntetyzowane na matrycy DNA;
- DNA to podwójna helisa, RNA to pojedyncza nić;
- nietypowe dla jej zasad DNA Chargaff;
- RNA ma więcej mniejszych zasad;
- łańcuchy różnią się znacznie długością.
Historia badań
Komórka RNA została po raz pierwszy odkryta przez niemieckiego biochemika R. Altmana podczas badania komórek drożdży. W połowie XX wieku udowodniono rolę DNA w genetyce. Dopiero wtedy opisano rodzaje, funkcje i tak dalej RNA. Aż 80-90% masy w komórce przypada na rRNA, które wraz z białkami tworzą rybosom i uczestniczą w biosyntezie białek.
W latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku po raz pierwszy zasugerowano, że musi istnieć pewien gatunek, który niesie informację genetyczną do syntezy białek. Następnie naukowo ustalono, że istnieją takie informacyjne kwasy rybonukleinowe reprezentujące komplementarne kopie genów. Są one również nazywane informacyjnymi RNA.
Tak zwane kwasy transportowe biorą udział w dekodowaniu zapisanych w nich informacji.
Później zaczęto opracowywać metody identyfikacji sekwencji nukleotydów i ustalenia struktury RNA w przestrzeni kwasowej. Stwierdzono więc, że niektóre z nich, zwane rybozymami, mogą rozszczepiać łańcuchy polirybonukleotydowe. W rezultacie zaczęto zakładać, że w momencie, gdy na planecie rodziło się życie,RNA działało bez DNA i białek. Co więcej, wszystkie przemiany zostały dokonane z jej udziałem.
Struktura cząsteczki kwasu rybonukleinowego
Prawie wszystkie RNA to pojedyncze łańcuchy polinukleotydów, które z kolei składają się z monorybonukleotydów – zasad purynowych i pirymidynowych.
Nukleotydy są oznaczone pierwszymi literami zasad:
- adenina (A), A;
- guanina (G), G;
- cytozyna (C), C;
- uracyl (U), U.
Są one połączone wiązaniami trzy- i pięciofosfodiestrowymi.
Najbardziej zróżnicowana liczba nukleotydów (od kilkudziesięciu do kilkudziesięciu tysięcy) jest zawarta w strukturze RNA. Mogą tworzyć strukturę drugorzędową składającą się głównie z krótkich dwuniciowych pasm, które są utworzone przez komplementarne zasady.
Struktura cząsteczki kwasu rybnukleinowego
Jak już wspomniano, cząsteczka ma strukturę jednoniciową. RNA otrzymuje swoją drugorzędową strukturę i kształt w wyniku wzajemnego oddziaływania nukleotydów. Jest to polimer, którego monomerem jest nukleotyd składający się z cukru, reszty kwasu fosforowego i zasady azotowej. Zewnętrznie cząsteczka jest podobna do jednego z łańcuchów DNA. Nukleotydy adenina i guanina, które są częścią RNA, są purynami. Cytozyna i uracyl to zasady pirymidynowe.
Proces syntezy
Aby zsyntetyzować cząsteczkę RNA, szablonem jest cząsteczka DNA. To prawda, że proces odwrotny zachodzi również, gdy na macierzy kwasu rybonukleinowego tworzą się nowe cząsteczki kwasu dezoksyrybonukleinowego. Takiwystępuje podczas replikacji niektórych typów wirusów.
Podstawą biosyntezy mogą być również inne cząsteczki kwasu rybonukleinowego. W jego transkrypcję, która zachodzi w jądrze komórkowym, bierze udział wiele enzymów, ale najważniejszym z nich jest polimeraza RNA.
Wyświetlenia
W zależności od typu RNA, jego funkcje również się różnią. Istnieje kilka typów:
- informacyjne i-RNA;
- rybosomalne rRNA;
- transport t-RNA;
- minor;
- rybozymy;
- wirusowy.
Informacyjny kwas rybonukleinowy
Takie cząsteczki są również nazywane macierzą. Stanowią około dwóch procent całości w komórce. W komórkach eukariotycznych są one syntetyzowane w jądrach na matrycach DNA, a następnie przechodzą do cytoplazmy i wiążą się z rybosomami. Co więcej, stają się szablonami do syntezy białek: są połączone transferowymi RNA, które przenoszą aminokwasy. Tak przebiega proces transformacji informacji, który realizuje się w unikalnej strukturze białka. W niektórych wirusowych RNA jest to również chromosom.
Jacob i Mano są odkrywcami tego gatunku. Nie mając sztywnej struktury, jego łańcuch tworzy zakrzywione pętle. Nie działa, i-RNA zbiera się w fałdy i składa w kulkę, a następnie rozkłada się w stanie roboczym.
i-RNA zawiera informacje o sekwencji aminokwasów w syntetyzowanym białku. Każdy aminokwas jest kodowany w określonej lokalizacji za pomocą kodów genetycznych, które są:
- potrójność - z czterech mononukleotydów można zbudować sześćdziesiąt cztery kodony (kod genetyczny);
- nieprzekraczanie - informacja porusza się w jednym kierunku;
- ciągłość - zasada działania jest taka, że jedno mRNA to jedno białko;
- uniwersalność - ten lub inny rodzaj aminokwasu jest kodowany we wszystkich żywych organizmach w ten sam sposób;
- degeneracja - znanych jest dwadzieścia aminokwasów i sześćdziesiąt jeden kodonów, to znaczy są one kodowane przez kilka kodów genetycznych.
Rybosomalny kwas rybonukleinowy
Takie molekuły stanowią zdecydowaną większość komórkowego RNA, czyli osiemdziesiąt do dziewięćdziesięciu procent całości. Łączą się z białkami i tworzą rybosomy – są to organelle, które dokonują syntezy białek.
Rybosomy to sześćdziesiąt pięć procent rRNA i trzydzieści pięć procent białka. Ten łańcuch polinukleotydowy łatwo fałduje się wraz z białkiem.
Rybosom składa się z regionów aminokwasowych i peptydowych. Znajdują się na powierzchniach styku.
Rybosomy poruszają się swobodnie w komórce, syntetyzując białka we właściwych miejscach. Nie są one bardzo specyficzne i potrafią nie tylko odczytywać informacje z mRNA, ale także tworzyć z nimi macierz.
Transport kwasu rybonukleinowego
t-RNA jest najbardziej zbadany. Stanowią dziesięć procent komórkowego kwasu rybonukleinowego. Te typy RNA wiążą się z aminokwasami dzięki specjalnemu enzymowi i są dostarczane do rybosomów. W tym samym czasie transportowane są aminokwasyCząsteczki. Zdarza się jednak, że różne kodony kodują aminokwas. Następnie przeniesie je kilka transportowych RNA.
Zwija się w kulkę, gdy jest nieaktywny, ale działa jak koniczyna.
Wyróżnia się w nim następujące sekcje:
- rdzeń akceptorowy o sekwencji nukleotydowej ACC;
- miejsce do przyłączenia do rybosomu;
- antykodon kodujący aminokwas dołączony do tego tRNA.
Drobne gatunki kwasu rybonukleinowego
Niedawno gatunki RNA zostały uzupełnione nową klasą, tak zwanym małym RNA. Najprawdopodobniej są uniwersalnymi regulatorami, które włączają lub wyłączają geny w rozwoju embrionalnym, a także kontrolują procesy w komórkach.
Rybozymy zostały również niedawno zidentyfikowane, są aktywnie zaangażowane w fermentację kwasu RNA, działając jako katalizator.
Wirusowe rodzaje kwasów
Wirus może zawierać kwas rybonukleinowy lub kwas dezoksyrybonukleinowy. Dlatego wraz z odpowiednimi cząsteczkami nazywa się je zawierającymi RNA. Kiedy taki wirus dostanie się do komórki, następuje odwrotna transkrypcja - nowe DNA pojawia się na bazie kwasu rybonukleinowego, które integruje się z komórkami, zapewniając istnienie i reprodukcję wirusa. W innym przypadku na nadchodzącym RNA zachodzi tworzenie komplementarnego RNA. Wirusy to białka, aktywność życiowa i reprodukcja przebiega bez DNA, ale tylko na podstawie informacji zawartych w RNA wirusa.
Replikacja
Aby poprawić wspólne zrozumienie, jest to konieczneRozważ proces replikacji, w którym powstają dwie identyczne cząsteczki kwasu nukleinowego. Tak zaczyna się podział komórek.
Obejmuje polimerazy DNA, zależne od DNA, polimerazy RNA i ligazy DNA.
Proces replikacji składa się z następujących kroków:
- despiralizacja - następuje sekwencyjne rozwijanie matczynego DNA, wychwytując całą cząsteczkę;
- zrywanie wiązań wodorowych, w których łańcuchy rozchodzą się i pojawia się widełki replikacyjne;
- dostosowanie dNTP do zwolnionych baz łańcucha macierzystego;
- odszczepienie pirofosforanów od cząsteczek dNTP i tworzenie wiązań fosforodiestrowych w wyniku uwolnionej energii;
- oddychanie.
Po utworzeniu cząsteczki potomnej jądro, cytoplazma i reszta są dzielone. W ten sposób powstają dwie komórki potomne, które całkowicie otrzymały całą informację genetyczną.
Ponadto zakodowana jest podstawowa struktura białek syntetyzowanych w komórce. DNA bierze udział w tym procesie pośrednio, a nie bezpośrednio, co polega na tym, że to na DNA zachodzi synteza białek, RNA biorącego udział w powstawaniu. Ten proces nazywa się transkrypcją.
Transkrypcja
Synteza wszystkich cząsteczek zachodzi podczas transkrypcji, czyli przepisywania informacji genetycznej z określonego operonu DNA. Proces ten jest pod pewnymi względami podobny do replikacji, a pod innymi bardzo różny.
Podobieństwa są następujące:
- zaczyna się od despiralizacji DNA;
- następuje pęknięcie wodorupołączenia między podstawami łańcuchów;
- NTFs komplementarne do nich;
- tworzą się wiązania wodorowe.
Różnice w stosunku do replikacji:
- podczas transkrypcji tylko część DNA odpowiadająca transkrypcji jest odkręcana, podczas gdy podczas replikacji cała cząsteczka jest odkręcana;
- podczas transkrypcji przestrajalne NTF zawierają rybozę i uracyl zamiast tyminy;
- informacje są odpisywane tylko z określonego obszaru;
- po utworzeniu cząsteczki wiązania wodorowe i zsyntetyzowany łańcuch zostają zerwane, a łańcuch zsuwa się z DNA.
Dla normalnego funkcjonowania, podstawowa struktura RNA powinna składać się tylko z odcinków DNA skopiowanych z eksonów.
Proces dojrzewania rozpoczyna się w nowo utworzonym RNA. Ciche regiony są wycinane, a informacyjne regiony są łączone w celu utworzenia łańcucha polinukleotydowego. Co więcej, każdy gatunek ma swoje własne przemiany.
W i-RNA następuje przyłączenie do początkowego końca. Poliadenylat jest dołączony do miejsca końcowego.
Zasady TRNA są modyfikowane w celu utworzenia pomniejszych gatunków.
W rRNA poszczególne zasady są również metylowane.
Chroń białka przed zniszczeniem i usprawnij transport do cytoplazmy. Wiąże się z nimi dojrzałe RNA.
Znaczenie kwasów dezoksyrybonukleinowych i rybonukleinowych
Kwasy nukleinowe mają ogromne znaczenie w życiu organizmów. Jest w nich magazynowany, przenoszony do cytoplazmy i dziedziczony przez komórki potomneinformacje o białkach syntetyzowanych w każdej komórce. Są obecne we wszystkich żywych organizmach, stabilność tych kwasów odgrywa ważną rolę w prawidłowym funkcjonowaniu zarówno komórek, jak i całego organizmu. Wszelkie zmiany w ich strukturze doprowadzą do zmian komórkowych.
