Kwasy nukleinowe odgrywają ważną rolę w komórce, zapewniając jej żywotną aktywność i reprodukcję. Dzięki tym właściwościom można je nazwać drugimi po białkach najważniejszymi cząsteczkami biologicznymi. Wielu badaczy stawia nawet DNA i RNA na pierwszym miejscu, sugerując ich główne znaczenie w rozwoju życia. Niemniej jednak mają zająć drugie miejsce po białkach, ponieważ podstawą życia jest właśnie cząsteczka polipeptydu.
Kwasy nukleinowe to inny poziom życia, znacznie bardziej złożony i interesujący ze względu na to, że każdy rodzaj molekuły wykonuje dla niego określoną pracę. Należy przyjrzeć się temu bardziej szczegółowo.
Pojęcie kwasów nukleinowych
Wszystkie kwasy nukleinowe (DNA i RNA) są biologicznymi heterogenicznymi polimerami, które różnią się liczbą łańcuchów. DNA to dwuniciowa cząsteczka polimeru, która zawierainformacja genetyczna organizmów eukariotycznych. Okrągłe cząsteczki DNA mogą zawierać informacje dziedziczne niektórych wirusów. To są HIV i adenowirusy. Istnieją również 2 specjalne typy DNA: mitochondrialne i plastydowe (znajdujące się w chloroplastach).
Z drugiej strony
RNA ma o wiele więcej typów, ze względu na różne funkcje kwasu nukleinowego. Istnieje jądrowy RNA, który zawiera informacje dziedziczne bakterii i większości wirusów, macierz (lub informacyjne RNA), rybosom i transport. Wszystkie z nich są zaangażowane albo w przechowywanie informacji dziedzicznych, albo w ekspresję genów. Jednak konieczne jest bardziej szczegółowe zrozumienie funkcji, jakie kwasy nukleinowe pełnią w komórce.
Dwuniciowa cząsteczka DNA
Ten rodzaj DNA to doskonały system przechowywania informacji dziedzicznych. Dwuniciowa cząsteczka DNA to pojedyncza cząsteczka złożona z heterogenicznych monomerów. Ich zadaniem jest tworzenie wiązań wodorowych pomiędzy nukleotydami innego łańcucha. Sam monomer DNA składa się z zasady azotowej, reszty ortofosforanowej i pięciowęglowej dezoksyrybozy monosacharydowej. W zależności od rodzaju zasady azotowej, na której opiera się konkretny monomer DNA, ma on własną nazwę. Rodzaje monomerów DNA:
- deoksyryboza z resztą ortofosforanową i adenylową zasadą azotową;
- tymidynowa zasada azotowa z dezoksyrybozą i resztą ortofosforanową;
- cytozynowa zasada azotowa, reszta dezoksyrybozy i ortofosforanu;
- ortofosforan z dezoksyrybozą i resztą azotową guaniny.
Na piśmie, aby uprościć schemat struktury DNA, reszta adenylowa jest oznaczona jako „A”, reszta guaninowa jest oznaczona jako „G”, reszta tymidyny jako „T”, a reszta cytozyny jako „C”. Ważne jest, aby informacja genetyczna została przeniesiona z dwuniciowej cząsteczki DNA do informacyjnego RNA. Ma kilka różnic: tutaj jako reszta węglowodanowa nie występuje deoksyryboza, lecz ryboza, a zamiast zasady azotowej tymidylu w RNA występuje uracyl.
Struktura i funkcje DNA
DNA jest zbudowany na zasadzie biologicznego polimeru, w którym jeden łańcuch jest tworzony z wyprzedzeniem zgodnie z określonym szablonem, w zależności od informacji genetycznej komórki rodzicielskiej. Nukleotydy DNA są tu połączone wiązaniami kowalencyjnymi. Następnie, zgodnie z zasadą komplementarności, do nukleotydów cząsteczki jednoniciowej przyłączane są inne nukleotydy. Jeśli w jednoniciowej cząsteczce początek jest reprezentowany przez nukleotydową adeninę, to w drugim (komplementarnym) łańcuchu będzie odpowiadać tymina. Guanina jest komplementarna do cytozyny. W ten sposób budowana jest dwuniciowa cząsteczka DNA. Znajduje się w jądrze i przechowuje informacje dziedziczne, które są kodowane przez kodony - tryplety nukleotydów. Funkcje dwuniciowego DNA:
- zachowanie informacji dziedzicznych otrzymanych z komórki rodzicielskiej;
- wyrażenie genu;
- zapobieganie zmianom mutacyjnym.
Znaczenie białek i kwasów nukleinowych
Uważa się, że funkcje białek i kwasów nukleinowych są wspólne, a mianowicie:biorą udział w ekspresji genów. Sam kwas nukleinowy jest ich miejscem przechowywania, a białko jest końcowym wynikiem odczytu informacji z genu. Sam gen jest fragmentem jednej integralnej cząsteczki DNA, upakowanej w chromosomie, w którym za pomocą nukleotydów zapisywana jest informacja o strukturze określonego białka. Jeden gen koduje sekwencję aminokwasową tylko jednego białka. To właśnie białko wprowadzi informację dziedziczną.
Klasyfikacja typów RNA
Funkcje kwasów nukleinowych w komórce są bardzo zróżnicowane. A najliczniej jest ich w przypadku RNA. Jednak ta wielofunkcyjność jest nadal względna, ponieważ jeden rodzaj RNA odpowiada za jedną z funkcji. W tym przypadku istnieją następujące typy RNA:
- jądrowy RNA wirusów i bakterii;
- macierz (informacje) RNA;
- rybosomalny RNA;
- Messenger plazmid RNA (chloroplast);
- Rybosomalny RNA chloroplastu;
- mitochondrialny rybosomalny RNA;
- mitochondrialne RNA informacyjne;
- przenieś RNA.
Funkcje RNA
Ta klasyfikacja zawiera kilka typów RNA, które są podzielone w zależności od lokalizacji. Jednak pod względem funkcjonalnym należy je podzielić tylko na 4 typy: jądrowe, informacyjne, rybosomalne i transportowe. Funkcją rybosomalnego RNA jest synteza białek w oparciu o sekwencję nukleotydową informacyjnego RNA. W którejaminokwasy są „doprowadzane” do rybosomalnego RNA, „naciągane” na informacyjny RNA, za pomocą transportującego kwasu rybonukleinowego. Tak przebiega synteza w każdym organizmie, który ma rybosomy. Struktura i funkcje kwasów nukleinowych zapewniają zarówno zachowanie materiału genetycznego, jak i tworzenie procesów syntezy białek.
Mitochondrialne kwasy nukleinowe
Jeżeli prawie wszystko wiadomo o funkcjach w komórce pełnionych przez kwasy nukleinowe znajdujące się w jądrze lub cytoplazmie, to wciąż niewiele jest informacji o mitochondrialnym i plastydowym DNA. Odkryto tu również specyficzne rybosomalne i informacyjne RNA. Kwasy nukleinowe DNA i RNA są tu obecne nawet w najbardziej autotroficznych organizmach.
Być może kwas nukleinowy dostał się do komórki w wyniku symbiogenezy. Ta ścieżka jest uważana przez naukowców za najbardziej prawdopodobną ze względu na brak alternatywnych wyjaśnień. Proces ten jest rozpatrywany w następujący sposób: symbiotyczna, autotroficzna bakteria dostała się do wnętrza komórki w określonym czasie. W rezultacie ta pozbawiona jądra komórka żyje wewnątrz komórki i dostarcza jej energii, ale stopniowo ulega degradacji.
Na początkowych etapach rozwoju ewolucyjnego prawdopodobnie symbiotyczna bakteria niejądrowa przeniosła procesy mutacji w jądrze komórki gospodarza. Umożliwiło to wprowadzenie genów odpowiedzialnych za przechowywanie informacji o strukturze białek mitochondrialnych do kwasu nukleinowego komórki gospodarza. Jednak na razie jakie funkcje w komórce pełnią kwasy nukleinowe pochodzenia mitochondrialnego,niewiele informacji.
Prawdopodobnie niektóre białka są syntetyzowane w mitochondriach, których struktura nie jest jeszcze kodowana przez jądrowe DNA lub RNA gospodarza. Jest również prawdopodobne, że komórka potrzebuje własnego mechanizmu syntezy białek tylko dlatego, że wiele białek syntetyzowanych w cytoplazmie nie może przedostać się przez podwójną błonę mitochondriów. Jednocześnie organelle te wytwarzają energię, a zatem jeśli istnieje kanał lub specyficzny nośnik dla białka, to wystarczy do ruchu cząsteczek i przeciw gradientowi stężeń.
Plazmidowe DNA i RNA
Plastydy (chloroplasty) również mają własne DNA, które prawdopodobnie odpowiada za realizację podobnych funkcji, jak ma to miejsce w przypadku mitochondrialnych kwasów nukleinowych. Posiada również własne rybosomalne, informacyjne i transferowe RNA. Co więcej, plastydy, sądząc po liczbie błon, a nie po liczbie reakcji biochemicznych, są bardziej skomplikowane. Zdarza się, że wiele plastydów ma 4 warstwy błon, co naukowcy tłumaczą na różne sposoby.
Jedna rzecz jest oczywista: funkcje kwasów nukleinowych w komórce nie zostały jeszcze w pełni zbadane. Nie wiadomo, jakie znaczenie ma mitochondrialny układ syntezy białek i analogiczny układ chloroplastyczny. Nie jest również do końca jasne, dlaczego komórki potrzebują mitochondrialnych kwasów nukleinowych, skoro białka (oczywiście nie wszystkie) są już zakodowane w jądrowym DNA (lub RNA, w zależności od organizmu). Chociaż pewne fakty zmuszają nas do zgody, że system syntezy białek mitochondriów i chloroplastów odpowiada za te same funkcje, cooraz DNA jądra i RNA cytoplazmy. Przechowują informacje dziedziczne, odtwarzają je i przekazują do komórek potomnych.
CV
Ważne jest, aby zrozumieć, jakie funkcje w komórce pełnią kwasy nukleinowe pochodzenia jądrowego, plastydowego i mitochondrialnego. Otwiera to przed nauką wiele perspektyw, ponieważ mechanizm symbiotyczny, według którego pojawiło się wiele organizmów autotroficznych, można dziś odtworzyć. Umożliwi to uzyskanie nowego typu komórki, być może nawet ludzkiej. Chociaż jest za wcześnie, aby mówić o perspektywach wprowadzenia wielobłonowych organelli plastydowych do komórek.
O wiele ważniejsze jest zrozumienie, że kwasy nukleinowe są odpowiedzialne za prawie wszystkie procesy w komórce. Jest to zarówno biosynteza białek, jak i zachowanie informacji o strukturze komórki. Ponadto znacznie ważniejsze jest, aby kwasy nukleinowe pełniły funkcję przenoszenia materiału dziedzicznego z komórek macierzystych do komórek potomnych. Gwarantuje to dalszy rozwój procesów ewolucyjnych.
