73. Struktura RNK. Vrste RNK. Njihova uloga u metabolizmu.
ribonukleinska kiselina (RNA) je jednolančani biopolimer, čiji su monomeri nukleotidi.
Predložak za sintezu novih molekula RNK su molekuli deoksiribonukleinske kiseline (RNK transkripcija). Iako je u nekim slučajevima moguć i obrnuti proces (formiranje nove DNK na RNK šablonu tokom replikacije nekih virusa). Također, drugi molekuli ribonukleinske kiseline (replikacija RNK) mogu biti osnova za biosintezu RNK. Brojni enzimi su uključeni u transkripciju RNK koja se javlja u ćelijskom jezgru, od kojih je najznačajniji RNA polimeraza.
Struktura RNK.
Molekul ima jednolančanu strukturu. Polimer. Kao rezultat interakcije nukleotida jedni s drugima, molekula RNK dobiva sekundarnu strukturu, raznih oblika(spirala, globula, itd.). Monomer RNK je nukleotid (molekul koji sadrži dušičnu bazu, ostatak fosforne kiseline i šećer (peptozu)). RNK je po strukturi slična jednom lancu DNK. Nukleotidi koji čine RNK: gvanin, adenin, citozin, uracil. Adenin i gvanin su purinske baze, citozin i uracil su pirimidinske baze. Za razliku od molekule DNK, ugljikohidratna komponenta ribonukleinske kiseline nije dezoksiriboza, već riboza. Druga značajna razlika u hemijskoj strukturi RNK i DNK je odsustvo nukleotida kao što je timin u molekulu ribonukleinske kiseline. U RNK je zamijenjen uracilom.
Funkcije RNK variraju ovisno o vrsti ribonukleinske kiseline.
1) Messenger RNA (i-RNA).
Ovaj biopolimer se ponekad naziva glasnička RNK (m-RNA). Ovaj tip RNK se nalazi i u jezgru i u citoplazmi ćelije. Glavna svrha je prijenos informacija o strukturi proteina od deoksiribonukleinske kiseline do ribozoma, gdje se sastavlja proteinski molekul. Relativno mala populacija RNK molekula, koja čini manje od 1% svih molekula.
2) Ribosomalna RNK (r-RNA).
Najčešći tip RNK (oko 90% svih molekula ovog tipa u ćeliji). R-RNA se nalazi u ribosomima i predstavlja šablon za sintezu proteinskih molekula. Ima najveću veličinu u odnosu na druge vrste RNK. Molekularna težina može doseći 1,5 miliona kDaltona ili više.
3) Transfer RNK (tRNA).
Nalazi se uglavnom u citoplazmi ćelije. Glavna svrha je transport (transfer) aminokiselina do mjesta sinteze proteina (ribozoma). Transfer RNK čini do 10% svih RNK molekula smještenih u ćeliji. Ima najmanju veličinu u odnosu na druge molekule RNK (do 100 nukleotida).
4) Manje (male) RNK.
To su molekule RNK, najčešće male molekulske težine, smještene u različitim dijelovima ćelije (membrana, citoplazma, organele, jezgro itd.). Njihova uloga nije u potpunosti shvaćena. Dokazano je da mogu pomoći sazrijevanju ribosomske RNK, sudjelovati u prijenosu proteina kroz ćelijsku membranu, promovirati reduplikaciju molekula DNK, itd.
5) Ribozimi.
Nedavno identifikovana vrsta RNK koja aktivno učestvuje u ćelijskim enzimskim procesima kao enzim (katalizator).
6) Virusna RNK.
Svaki virus može sadržavati samo jednu vrstu nukleinske kiseline: DNK ili RNK. Prema tome, virusi koji sadrže RNK molekul nazivaju se virusi koji sadrže RNK. Kada virus ovog tipa uđe u ćeliju, može doći do procesa reverzne transkripcije (formiranje nove DNK na bazi RNK), a novonastala DNK virusa se integriše u genom ćelije i osigurava postojanje i reprodukciju. patogena. Drugi scenario je formiranje komplementarne RNK na matrici nadolazeće virusne RNK. U ovom slučaju, stvaranje novih virusnih proteina, vitalna aktivnost i reprodukcija virusa odvija se bez sudjelovanja dezoksiribonukleinske kiseline samo na osnovu genetskih informacija zabilježenih na virusnoj RNK.
Ribonukleinska kiselina je kopolimer purinskih i pirimidinskih ribonukleotida međusobno povezanih, kao u DNK, fosfodiestarskim mostovima (slika 37.6). Iako ove dvije vrste nukleinskih kiselina imaju mnogo toga zajedničkog, one se međusobno razlikuju na više načina.
1. U RNK, ugljikohidratni ostatak za koji su vezane purinske ili pirimidinske baze i fosfatne grupe je riboza, a ne 2-deoksiriboza (kao u DNK).
2. Pirimidinske komponente RNK se razlikuju od onih u DNK. RNK, kao i DNK, sadrži nukleotide adenin, guanin i citozin. Istovremeno, RNK (osim nekih posebnih slučajeva, o kojima ćemo govoriti u nastavku) ne sadrži timin, njeno mjesto u molekuli RNK zauzima uracil.
3. RNK je jednolančana molekula (za razliku od DNK, koja ima dvolančanu strukturu), međutim, ako postoje dijelovi u lancu RNK s komplementarnom sekvencom (suprotan polaritet), jedan lanac RNK je sposoban da se presavije u formiraju takozvane „ukosnice“, strukture koje imaju dvolančane karakteristike (slika 37.7).
Rice. 37.6. Fragment molekule ribonukleinske kiseline (RNA) u kojoj su purinske i pirimidinske baze - adenin (A), uracil (U), citozin (C) i gvanin ( - zadržane fosfodiesterskom kičmom koja povezuje ribozilne ostatke povezane N- glikozidna veza za odgovarajuće nukleinske baze. Imajte na umu: RNA lanac ima specifičan smjer, što je naznačeno 5- i 3-terminalnim fosfatnim ostacima.
4. Pošto je molekula RNK jedna lanac komplementaran samo jednom od lanaca DNK, sadržaj gvanina u njemu nije nužno jednak sadržaju citozina, a sadržaj adenina nije nužno jednak sadržaju uracila.
5. RNK se može hidrolizirati alkalijama u 2,3-ciklične diestre mononukleotida; međuproizvod hidrolize je 2,U,5-triestar, koji se ne formira tokom alkalne hidrolize DNK zbog odsustva 2-hidroksilnih grupa u ovoj drugoj; alkalna labilnost RNK (u poređenju sa DNK) je korisno svojstvo i za dijagnostičke i za analitičke svrhe.
Informacije sadržane u jednolančanoj RNK implementiraju se u obliku specifične sekvence purinskih i pirimidinskih baza (tj. u primarnoj strukturi) polimernog lanca. Ova sekvenca je komplementarna kodirajućem lancu gena iz kojeg se „čita“ RNK. Zbog komplementarnosti, molekula RNK može se specifično vezati (hibridizirati) za kodirajući lanac, ali se ne hibridizira za nekodirajući lanac DNK. RNK sekvenca (sa izuzetkom zamene T sa U) je identična sekvenci nekodirajućeg lanca gena (slika 37.8).
Biološke funkcije RNK
Poznato je nekoliko tipova RNK. Gotovo svi su direktno uključeni u proces biosinteze proteina. Citoplazmatske RNA molekule koje funkcionišu kao šabloni za sintezu proteina nazivaju se glasnička RNK (mRNA). Druga vrsta citoplazmatske RNK, ribosomska RNK (rRNA), djeluje kao strukturne komponente ribozoma (organele koje igraju važnu ulogu u sintezi proteina). Adapterski molekuli transferne RNK (tRNA) su uključeni u translaciju (translaciju) mRNA informacija u sekvencu aminokiselina u proteinima.
Značajan dio primarnih RNK transkripata proizvedenih u eukariotskim stanicama, uključujući stanice sisara, podliježe degradaciji u jezgru i ne igraju nikakvu strukturnu ili informacijsku ulogu u citoplazmi. U kultivisanom
Rice. 37.7. Sekundarna struktura molekule RNK je tipa „petlja stabljika“ („ukosnica“), koja je rezultat intramolekularnog stvaranja vodikovih veza između komplementarnih parova nukleinskih baza.
U ljudskim ćelijama otkrivena je klasa malih nuklearnih RNK koje nisu direktno uključene u sintezu proteina, ali mogu utjecati na obradu RNK i cjelokupnu "arhitekturu" stanice. Veličine ovih relativno malih molekula variraju, a potonji sadrže od 90 do 300 nukleotida (tabela 37.3).
RNK je glavni genetski materijal u nekim životinjskim i biljnim virusima. Neki RNK virusi nikada ne prolaze kroz reverznu transkripciju RNK u DNK. Međutim, većinu poznatih životinjskih virusa, kao što su retrovirusi, karakterizira reverzna transkripcija njihovog RNA genoma, usmjerena RNA-ovisnom DNK polimerazom (reverzna transkriptaza) da formira dvolančanu DNK kopiju. U mnogim slučajevima, dobijeni dvolančani DNK transkript se integriše u genom i nakon toga osigurava ekspresiju virusnih gena, kao i proizvodnju novih kopija virusnih RNK genoma.
Strukturna organizacija RNK
U svim eukariotskim i prokariotskim organizmima postoje tri glavne klase RNA molekula: glasnička RNA (mRNA), transferna RNA (tRNA) i ribosomalna RNA (rRNA). Predstavnici ovih klasa razlikuju se jedni od drugih po veličini, funkciji i stabilnosti.
Messenger RNA (mRNA) je najheterogenija klasa u smislu veličine i stabilnosti. Svi predstavnici ove klase služe kao nosioci informacija od gena do sistema ćelije koji sintetiše proteine. Oni deluju kao šabloni za sintetizovani polipeptid, odnosno određuju sekvencu aminokiselina proteina (slika 37.9).
Messenger RNA, posebno one eukariotske, imaju neke jedinstvene strukturne karakteristike. 5-kraj mRNA prekriven je 7-metilgvanozin trifosfatom vezan za 5-hidroksil susjednog 2-0-metilribonukleozida preko trifosfatnog ostatka (Slika 37.10). Molekuli mRNA često sadrže unutrašnje ostatke 6-metiladenina i 2-0-metilirane ribonukleotide. Iako značenje “capping” još nije u potpunosti shvaćeno, može se pretpostaviti da se rezultirajuća struktura 5-kraja mRNA koristi za specifično prepoznavanje u translacijskom sistemu. Sinteza proteina počinje na 5" (zatvorenom) kraju mRNA. Drugi kraj većine mRNA molekula (3-kraj) sadrži poliadenilatni lanac od 20-250 nukleotida. Specifične funkcije ovoga nisu u potpunosti utvrđene. Pretpostaviti da je ova struktura odgovorna za održavanje unutarćelijske stabilnosti mRNA Neke mRNA, uključujući histonske, ne sadrže poli (A) sa kolonom nastaje zbog komplementarnih interakcija poli (A) “repa” sa imobiliziranim oligom (T). ).
Rice. 37.8. Sekvenca gena i njegov RNK transkript. Prikazani su kodirajući i nekodirajući nizovi i njihov polaritet. RNK transkript koji ima polaritet je komplementaran kodirajućem lancu (sa polaritetom od 3 - 5) i identičan je po sekvenci (osim T do U supstitucija) i polarnosti nekodirajuće DNK lanca.
Rice. 37.9. Ekspresija genetske informacije DNK u obliku transkripta mRNA i naknadno prevođenje uz sudjelovanje ribozoma uz formiranje specifične proteinske molekule.
(vidi skeniranje)
Rice. 37.10. Struktura “kapice” koja se nalazi na 5-kraju većine eukariotskih glasnih RNK 7-metilgvanozin trifosfat je vezan za 5-kraj mRNA. koji obično sadrži 2-O-metilpurin nukleotid.
U ćelijama sisara, uključujući ljudske ćelije, zrele molekule mRNA pronađene u citoplazmi nisu potpuna kopija transkribovanog regiona gena. Poliribonukleotid nastao kao rezultat transkripcije je prekursor citoplazmatske mRNA prije nego što napusti jezgro, podvrgava se specifičnoj obradi. Proizvodi transkripcije pune dužine koji se nalaze u jezgrima stanica sisara čine četvrtu klasu RNA molekula. Takve nuklearne RNK su vrlo heterogene i dostižu značajne veličine. Heterogene nuklearne RNA molekule mogu imati molekulsku težinu veću od , dok molekulska težina mRNA obično ne prelazi 2106. Obrađuju se u jezgru, a rezultirajuće zrele mRNA ulaze u citoplazmu, gdje služe kao šablon za biosintezu proteina .
Transfer RNA (tRNA) molekule obično sadrže oko 75 nukleotida. Molekularna težina takvih molekula je . tRNA se takođe formiraju kao rezultat specifične obrade odgovarajućih molekula prekursora (vidi Poglavlje 39). Transfer tRNA djeluju kao posrednici tokom translacije mRNA. U svakoj ćeliji postoji najmanje 20 tipova tRNA molekula. Svaki tip (ponekad nekoliko tipova) tRNA odgovara jednoj od 20 aminokiselina neophodnih za sintezu proteina. Iako se svaka specifična tRNA razlikuje od ostalih po nukleotidnoj sekvenci, sve imaju zajedničke karakteristike. Zbog nekoliko intralančanih komplementarnih regiona, sve tRNK imaju sekundarnu strukturu zvanu “list djeteline” (slika 37.11).
Sve vrste tRNA molekula imaju četiri glavna kraka. Akceptorska ruka se sastoji od „stabljike“ uparenih nukleotida i završava se sa CCA sekvencom. Preko Y-hidroksilne grupe adenozilnog ostatka dolazi do vezivanja za karboksilnu grupu aminokiseline. Preostali krakovi se takođe sastoje od “stabljika” formiranih od komplementarnih parova baza i petlji neparnih baza (slika 37.7). Antikodonski krak prepoznaje nukleotidni triplet ili kodon (vidi Poglavlje 40) u mRNA. D-ruk je nazvan tako zbog prisustva dihidrouridina u njemu, -ruk je nazvan po sekvenci T-pseudouridin-C. Dodatni krak je najvarijabilnija struktura i služi kao osnova za klasifikaciju tRNA. Klase 1 tRNA (75% njihovog ukupnog broja) imaju dodatni krak dug 3-5 parova baza. Dodatni krak molekula tRNA klase 2 sastoji se od 13-21 para baza i često uključuje neuparenu petlju.
Rice. 37.11. Struktura molekula aminoacil-tRNA sa aminokiselinom vezanom na 3-CCA kraj. Intramolekularne vodikove veze i lokacija antikodonskih, TTC i dihidrouracilnih krakova su naznačeni. (Od J. D. Watsona. Molekularna biologija gena 3rd, ed. Autorska prava 1976, 1970, 1965 od W. A. Benjamina, Inc., Menlo Park Kalifornija)
Sekundarna struktura, određena sistemom komplementarnih interakcija nukleotidnih baza odgovarajućih krakova, karakteristična je za sve vrste. Akceptorski krak sadrži sedam parova baza, -ruk sadrži pet parova baza, a D krak sadrži tri (ili). četiri) bazni parovi.
Molekuli tRNA su vrlo stabilni kod prokariota i nešto manje stabilni kod eukariota. Suprotna situacija je tipična za mRNA, koja je prilično nestabilna kod prokariota, ali ima značajnu stabilnost u eukariotskim organizmima.
Ribosomalna RNA. Ribosom je citoplazmatska nukleoproteinska struktura dizajnirana za sintezu proteina pomoću šablona mRNA. Ribosom pruža specifičan kontakt, kao rezultat kojeg se nukleotidna sekvenca očitana sa specifičnog gena prevodi u sekvencu aminokiselina odgovarajućeg proteina.
U tabeli Slika 37.2 prikazuje komponente ribozoma sisara koji imaju molekularnu težinu od 4,210 6 i brzinu sedimentacije (Svedberg jedinice). Ribozomi sisara sastoje se od dvije nukleoproteinske podjedinice - velike s
Tabela 37.2. Komponente ribozoma sisara
molekulske težine (60S) i niske molekulske težine (40S). Podjedinica 608 sadrži 58-ribosomalnu RNK (rRNA), 5.8S-rRNA i 28S-rRNA, kao i više od 50 različitih polipeptida. Mala, 408-podjedinica uključuje jednu 18S-pRNA i oko 30 polipeptidnih lanaca. Sve ribosomalne RNK, sa izuzetkom 5S-RNA, imaju zajednički prethodnik, 45S-RNA, lokalizovan u nukleolusu (vidi Poglavlje 40). Molekul 5S-RNA ima svoj prethodnik. U nukleolu, visoko metilirane ribosomske RNK su pakirane s ribosomskim proteinima. U citoplazmi, ribozomi su prilično stabilni i sposobni za obavljanje veliki broj ciklusi emitovanja.
Male stabilne RNK. Veliki broj diskretnih, visoko konzerviranih, malih i stabilnih RNA molekula pronađen je u eukariotskim stanicama. Većina RNK ovog tipa nalazi se u ribonukleoproteinima i lokalizirana je u jezgri, citoplazmi ili u oba odjeljka istovremeno. Veličine ovih molekula variraju od 90 do 300 nukleotida, njihov sadržaj je 100.000-1.000.000 kopija po ćeliji.
Čini se da male nuklearne ribonukleinske čestice (često se nazivaju snurps) igraju značajnu ulogu u regulaciji ekspresije gena. Čini se da su nukleoproteinske čestice tipa U7 uključene u formiranje 3-kraja histonskih mRNA. Čestice su vjerovatno potrebne za poliadenilaciju, a - za uklanjanje introna i obradu mRNA (vidi Poglavlje 39). Table 37.3. sažima neke karakteristike malih stabilnih RNK.
Tabela 37.3. Neke vrste malih stabilnih RNA pronađenih u stanicama sisara
LITERATURA
Darnell J. et al. Molecular Cell Biology, Scientific American Books, 1986.
Hunt T. DNK stvara RNK stvara protein, Elsevier, 1983. Lewin B. Genes, 2. izdanje, Wiley, 1985.
Rich A. et al. Hemija i biologija levorukog Z-DNK, Annu. Rev. Biochem., 1984, 53, 847.
Turner P. Kontrolne uloge za snurps, Nature, 1985, 316, 105. Watson J. D. Double Helix, Atheneum, 1968.
Watson J.D., Crick F.H.C. Molekularna struktura nukleinskih kiselina. Priroda, 1953, 171, 737.
Zieve G. W. Dvije grupe malih stabilnih RNK, Cell, 1981, 25, 296.
RNK je, kao i DNK, polinukleotid. Nukleotidna struktura RNK je slična strukturi DNK, ali postoje sljedeće razlike:
- Umjesto deoksiriboze, nukleotidi RNK sadrže petougljični šećer, ribozu;
- Umjesto dušične baze timina, tu je uracil;
- Molekul RNK obično je predstavljen jednim lancem (za neke viruse dva);
postoje u ćelijama tri vrste RNK: informativni, transportni i ribosomski.
Informacije RNK (i-RNA) je kopija određenog dijela DNK i djeluje kao nosilac genetske informacije od DNK do mjesta sinteze proteina (ribozoma) i direktno je uključena u sastavljanje njegovih molekula.
Transport RNK (tRNA) prenosi aminokiseline iz citoplazme do ribozoma.
Ribosomalna RNK (rRNA) je dio ribozoma. Vjeruje se da r-RNA obezbjeđuje određeni prostorni raspored i-RNA i t-RNA.
Uloga RNK u procesu realizacije nasljednih informacija.
Nasljedne informacije, zabilježene pomoću genetskog koda, pohranjuju se u molekule DNK i umnožavaju kako bi se novoformiranim stanicama dale potrebne “upute” za njihovo normalan razvoj i funkcionisanje. Istovremeno, DNK ne učestvuje direktno u održavanju života ćelija. Ulogu posrednika, čija je funkcija da prevede nasljedne informacije pohranjene u DNK u radni oblik, ribonukleinske kiseline - RNK.
Za razliku od molekula DNK, ribonukleinske kiseline su predstavljene jednim polinukleotidnim lancem, koji se sastoji od četiri vrste nukleotida koji sadrže šećer, ribozu, fosfat i jednu od četiri dušične baze - adenin, gvanin, uracil ili citozin. RNK se sintetiše na molekulima DNK pomoću enzima RNA polimeraze u skladu sa principom komplementarnosti i antiparalelnosti, a uracil je komplementaran DNK adeninu u RNK. Cijeli niz RNK koji djeluju u ćeliji može se podijeliti u tri glavna tipa: mRNA, tRNA, rRNA.
U pogledu hemijske organizacije materijala naslijeđa i varijabilnosti, eukariotske i prokariotske ćelije se međusobno suštinski ne razlikuju. Njihov genetski materijal predstavljen je DNK. Zajedničko im je princip snimanja genetskih informacija, kao i genetski kod. Iste aminokiseline su šifrirane istim kodonima kod pro- i eukariota. U gore navedenim tipovima ćelija, korištenje nasljednih informacija pohranjenih u DNK provodi se na suštinski identičan način. Prvo se transkribuje u nukleotidnu sekvencu molekula mRNA, a zatim se prevodi u aminokiselinsku sekvencu peptida na ribosomima uz učešće tRNA. Međutim, neke karakteristike organizacije nasljednog materijala koje razlikuju eukariotske ćelije od prokariotskih određuju razlike u korištenju njihovih genetskih informacija.
Nasljedni materijal prokariotske ćelije sadržan je uglavnom u jednoj kružnoj DNK molekuli. Nalazi se direktno u citoplazmi ćelije, gde se takođe nalaze tRNA i enzimi neophodni za ekspresiju gena, od kojih su neki sadržani u ribosomima. Prokariotski geni se u potpunosti sastoje od kodirajućih nukleotidnih sekvenci koje se realizuju tokom sinteze proteina, tRNA ili rRNA.
Nasljedni materijal eukariota je veći po zapremini od materijala prokariota. Nalazi se uglavnom u specijalnim nuklearnim strukturama - hromozoma, koji su odvojeni od citoplazme nuklearnim omotačem. Aparat neophodan za sintezu proteina, koji se sastoji od ribozoma, tRNA, skupa aminokiselina i enzima, nalazi se u citoplazmi ćelije.
Postoje značajne razlike u molekularna organizacija gena eukariotske ćelije. Većina njih sadrži kodirajuće sekvence egzoni su prekinuti intronic regije koje se ne koriste u sintezi t-RNA, r-RNA ili peptida. Broj takvih regiona varira u različitim genima. Ovi regioni su uklonjeni iz primarne transkribovane RNK, pa se upotreba genetske informacije u eukariotskoj ćeliji dešava nešto drugačije. U prokariotskoj ćeliji, gdje nasljedni materijal i aparat za biosintezu proteina nisu prostorno odvojeni, transkripcija i translacija se odvijaju gotovo istovremeno. U eukariotskoj ćeliji ove dvije faze nisu samo prostorno odvojene nuklearnim omotačem, već su i vremenski razdvojene procesima sazrijevanja m-RNA, iz kojih se moraju ukloniti neinformativne sekvence.
Pored navedenih razlika u svakoj fazi ekspresije genetske informacije, mogu se uočiti i neke karakteristike toka ovih procesa kod pro- i eukariota.
Struktura nukleinskih kiselina
Nukleinske kiseline – biopolimeri živih organizama koji sadrže fosfor, koji osiguravaju očuvanje i prijenos nasljednih informacija.
Makromolekule nukleinskih kiselina otkrio je 1869. švicarski hemičar F. Miescher u jezgrama leukocita pronađenih u stajnjaku. Kasnije su nukleinske kiseline identificirane u svim stanicama biljaka i životinja, gljivama, bakterijama i virusima.
Napomena 1
Postoje dvije vrste nukleinskih kiselina – deoksiribonukleinska kiselina (DNK) i ribonukleinska kiselina (RNA).
Kao što nazivi govore, molekul DNK sadrži pentozu šećer deoksiribozu, a molekul RNK ribozu.
Sada poznato veliki broj varijante DNK i RNK, koje se međusobno razlikuju po strukturi i značaju u metabolizmu.
Primjer 1
Bakterijska stanica Escherichia coli sadrži oko 1000 vrsta nukleinskih kiselina, a životinje i biljke imaju još više.
Svaka vrsta organizma ima svoj skup ovih kiselina. DNK je lokalizovan prvenstveno u hromozomima ćelijskog jezgra (% ukupne DNK ćelije), kao i u hloroplastima i mitohondrijima. RNK se nalazi u citoplazmi, nukleolima, ribosomima, mitohondrijima i plastidima.
Molekul DNK se sastoji od dva polinukleotidna lanca, spiralno uvijena jedan u odnosu na drugi. Lanci su raspoređeni antiparalelno, odnosno 3-kraj i 5-kraj.
Strukturne komponente (monomeri) svakog takvog lanca su nukleotidi. U molekulima nukleinske kiseline broj nukleotida varira - od 80 u molekulima prijenosne RNK do nekoliko desetina hiljada u DNK.
Bilo koji nukleotid DNK sadrži jednu od četiri azotne baze ( adenin, timin, citozin i gvanin), deoksiriboza I ostatak fosforne kiseline.
Napomena 2
Nukleotidi se razlikuju samo po svojim azotnim bazama, između kojih postoje povezani odnosi. Timin, citozin i uracil su pirimidinske baze, dok su adenin i gvanin purinske baze.
Susjedni nukleotidi u polinukleotidnom lancu povezani su kovalentnim vezama formiranim između deoksiriboze molekula DNK (ili riboze RNK) jednog nukleotida i ostatka fosforne kiseline drugog.
Napomena 3
Iako postoje samo četiri tipa nukleotida u molekulu DNK, zbog promjene redoslijeda njihove lokacije u dugom lancu, molekuli DNK postižu ogromnu raznolikost.
Dva polinukleotidna lanca se kombinuju u jednu molekulu DNK pomoću vodikovih veza, koje se formiraju između azotnih baza nukleotida različitih lanaca.
U ovom slučaju, adenin (A) se može kombinovati samo sa timinom (T), a gvanin (G) samo sa citozinom (C). Kao rezultat, raznih organizama broj adenil nukleotida jednak je broju timidil nukleotida, a broj guanil nukleotida je jednak broju citidil nukleotida. Ovaj obrazac se zove "Chargaffovo pravilo". Na taj način se redosled nukleotida u jednom lancu određuje prema njihovom redosledu u drugom.
Ova sposobnost nukleotida da se selektivno kombinuju naziva se komplementarnost, a ovo svojstvo osigurava formiranje novih molekula DNK na osnovu originalnog molekula (replikacija).
Napomena 4
Dvostruka spirala je stabilizirana brojnim vodikovim vezama (dvije se formiraju između A i T, tri između G i C) i hidrofobnim interakcijama.
Prečnik DNK je 2 nm, visina spirale je 3,4 nm, a svaki zavoj sadrži 10 parova nukleotida.
Dužina molekula nukleinske kiseline doseže stotine hiljada nanometara. Ovo značajno premašuje najveću proteinsku makromolekulu, čija dužina, kada je rasklopljena, nije veća od 100-200 nm.
Samodupliciranje molekula DNK
Svakoj ćelijskoj deobi, pod uslovom da se nukleotidna sekvenca strogo poštuje, prethodi replikacija molekula DNK.
Počinje tako što se dvostruka spirala DNK privremeno odmotava. Ovo se dešava pod dejstvom enzima DNK topoizomeraze i DNK helikaze. DNK polimeraza i DNK primaza kataliziraju polimerizaciju nukleozid trifosfata i formiranje novog lanca.
Tačnost replikacije je osigurana komplementarnom (A - T, G - C) interakcijom azotnih baza lanca šablona koji se gradi.
Napomena 5
Svaki polinukleotidni lanac je šablon za novi komplementarni lanac. Kao rezultat, formiraju se dva molekula DNK, od kojih jedna polovina dolazi iz matične molekule, a druga je novosintetizirana.
Štaviše, novi lanci se prvo sintetiziraju u obliku kratkih fragmenata, a zatim se ovi fragmenti posebnim enzimom "ušivaju" u dugačke lance.
Dva nova formirana molekula DNK su tacna kopija originalni molekul zbog replikacije.
Ovaj proces je osnova za prijenos nasljednih informacija, koji se odvija na ćelijskom i nivou organizma.
Napomena 6
Najvažnija karakteristika replikacije DNK je njena visoka tačnost, koju osigurava poseban kompleks proteina - „mašina za replikaciju“.
Funkcije "mašine za replikaciju":
- proizvodi ugljikohidrate koji formiraju komplementarni par sa nukleotidima matriksnog lanca majke;
- djeluje kao katalizator u formiranju kovalentne veze između kraja rastućeg lanca i svakog novog nukleotida;
- ispravlja lanac uklanjanjem nukleotida koji su pogrešno ugrađeni.
Broj grešaka u "mašini za replikaciju" je vrlo mali, manje od jedne greške na 1 milijardu nukleotida.
Međutim, postoje slučajevi kada “mašina za replikaciju” može preskočiti ili umetnuti nekoliko dodatnih baza, uključiti C umjesto T ili A umjesto G. Svaka takva zamjena nukleotidne sekvence u molekulu DNK je genetska greška i se zove mutacija. U svim narednim generacijama ćelija takve greške će se ponovo reproducirati, što može dovesti do primjetnih negativnih posljedica.
Vrste RNK i njihove funkcije
RNK je jedan polinukleotidni lanac (neki virusi imaju dva lanca).
Monomeri su ribonukleotidi.
Azotne baze u nukleotidima:
- adenin (A);*
- gvanin (G);
- citozin (C);
- uracil (U).*
Monosaharid - riboza.
U ćeliji je lokaliziran u jezgru (nukleolusu), mitohondrijima, hloroplastima, ribosomima i citoplazmi.
Sintetizira se sintezom šablona po principu komplementarnosti na jednom od lanaca DNK, nije sposoban za replikaciju (samo-duplikaciju) i labilan je.
Postoji Razne vrste RNK, koje se razlikuju po veličini molekula, strukturi, lokaciji u ćeliji i funkcijama.
Mala molekularna težina transfer RNK (tRNA) čine oko 10% ukupne količine ćelijske RNK.
U procesu prenošenja genetske informacije, svaka tRNA može vezati i prenijeti samo određenu aminokiselinu (na primjer lizin) na ribozome, mjesto sinteze proteina. Ali za svaku aminokiselinu postoji više od jedne tRNA. Stoga postoji mnogo više od 20 različitih tRNA, koje se razlikuju po svojoj primarnoj strukturi (imaju različitu sekvencu nukleotida).
Ribosomalne RNK (rRNA) čine do 85% svih RNK ćelija. Budući da su dio ribozoma, oni na taj način obavljaju strukturnu funkciju. rRNA također učestvuje u formiranju aktivnog centra ribozoma, gdje se formiraju peptidne veze između molekula aminokiselina tokom procesa biosinteze proteina.
With glasnik ili glasnička RNK (mRNA) sinteza proteina u ćeliji je programirana. Iako je njihov sadržaj u ćeliji relativno nizak - oko 5% - ukupne mase svih RNK u ćeliji, mRNA su na prvom mjestu po važnosti, jer direktno prenose DNK kod za sintezu proteina. U ovom slučaju, svaki ćelijski protein je kodiran specifičnom mRNA. To se objašnjava činjenicom da RNK, tokom svoje sinteze, prima informacije od DNK o strukturi proteina u obliku kopirane sekvence nukleotida i prenosi je u ribosom za obradu i implementaciju.
Napomena 7
Značaj svih vrsta RNK je u tome što predstavljaju funkcionalno jedinstven sistem koji ima za cilj da izvrši sintezu ćelijski specifičnih proteina u ćeliji.
Hemijska struktura i uloga ATP-a u energetskom metabolizmu
Adenozin trifosforna kiselina (ATP ) se nalazi u svakoj ćeliji – u hijaloplazmi (topivi dio citoplazme), mitohondrijima, hloroplastima i jezgru.
On daje energiju za većinu reakcija koje se odvijaju u ćeliji. Uz pomoć ATP-a, stanica se može kretati, sintetizirati nove molekule proteina, masti i ugljikohidrata, osloboditi se proizvoda razgradnje, obavljati aktivan transport itd.
ATP molekul je formiran od azotne baze, petougljičnog šećera riboze i tri ostatka fosforne kiseline. Fosfatne grupe u molekulu ATP-a povezane su jedna s drugom visokoenergetskim (makroergijskim) vezama.
Kao rezultat hidrolitičke eliminacije konačne fosfatne grupe, adenozin difosforna kiselina (ADP) i energija se oslobađa.
Nakon eliminacije druge fosfatne grupe, adenozin monofosforna kiselina (AMP) i drugi dio energije se oslobađa.
ATP se formira od ADP-a i neorganskog fosfata zbog energije koja se oslobađa tokom oksidacije organska materija i tokom procesa fotosinteze. Ovaj proces se naziva fosforilacija. U tom slučaju se mora iskoristiti najmanje 40 kJ/mol ATP akumuliranog u njegovim visokoenergetskim vezama.
To znači da je glavni značaj procesa disanja i fotosinteze u tome što oni opskrbljuju energijom za sintezu ATP-a uz čije učešće se u ćeliji odvija značajan broj različitih procesa.
ATP se obnavlja izuzetno brzo. Primjer Osoba ima svaki ATP molekula Raspada se i obnavlja 2400 puta dnevno, tako da mu je prosječni vijek trajanja manji od 1 minute.
Sinteza ATP-a odvija se uglavnom u mitohondrijima i hloroplastima. ATP, koji se formira, ulazi kroz kanale endoplazmatskog retikuluma do onih dijelova ćelije gdje je potrebna energija.
Bilo koja vrsta stanične aktivnosti nastaje zbog energije koja se oslobađa tokom hidrolize ATP-a. Preostala energija (oko 50%), koja se oslobađa pri razgradnji molekula proteina, masti, ugljenih hidrata i drugih organskih jedinjenja, raspršuje se u obliku toplote i nema praktičan značaj za život ćelije.
tri glavne vrste RNK: informativni(mRNA), ili matrica(mRNA), ribosomalni(rRNA), i transport(tRNA). Razlikuju se po veličini i funkciji molekula. Sve vrste RNK se sintetiziraju na DNK uz sudjelovanje enzima - RNA polimeraza. Messenger RNAčini 2-3% sve ćelijske RNK, ribosomalne - 80-85, transportne - oko 15%.
mRNA. čita nasljedne informacije iz dijela DNK i, u obliku kopirane sekvence azotnih baza, prenosi ih na ribozome, gdje dolazi do sinteze specifičnog proteina. Svaki od molekula mRNA odgovara po redoslijedu nukleotida i po veličini genu u DNK iz kojeg je transkribovan. U prosjeku, mRNA sadrži 1500 nukleotida (75-3000). Svaki triplet (tri nukleotida) na mRNA naziva se kodon. Kodon određuje koja će se aminokiselina pojaviti na određenoj lokaciji tokom sinteze proteina.
(tRNA) ima relativno nisku molekularnu težinu od 24-29 hiljada D i sadrži od 75 do 90 nukleotida u molekulu. Do 10% svih tRNA nukleotida su minorne baze, što je očito štiti od djelovanja hidrolitičkih enzima. Svaka aminokiselina je vezana za određenu tRNA. Brojne aminokiseline imaju više od jedne tRNA. Do danas je otkriveno više od 60 tRNA koje se međusobno razlikuju po svojoj primarnoj strukturi (baznoj sekvenci). Sekundarna struktura svih tRNA predstavljena je u obliku lista djeteline sa dvolančanom stabljikom i tri jednolančane). Na kraju jednog od lanaca nalazi se akceptorsko mjesto - CCA triplet, za čiji je adenin vezana određena aminokiselina.
(rRNA). Sadrže 120-3100 nukleotida. Ribosomalna RNK se akumulira u jezgru, u jezgrama. Ribosomalni proteini se transportuju u nukleole iz citoplazme i tamo dolazi do spontanog formiranja ribosomskih podjedinica kombinovanjem proteina sa odgovarajućom rRNK. Ribosomske subčestice, zajedno ili odvojeno, transportuju se kroz pore nuklearne membrane u citoplazmu. Ribosomi To su organele veličine 20-30 nm. Sastoje se od dvije podčestice različitih veličina i oblika. U određenim fazama sinteze proteina u ćeliji, ribozomi se dijele na podčestice. Ribosomalna RNK služi kao okvir za ribozome i olakšava početno vezivanje mRNA za ribozom tokom biosinteze proteina.
Genetski kod je metoda kodiranja sekvence aminokiselina proteina korištenjem niza nukleotida, karakterističnih za sve žive organizme.
Osobine: 1) genetski kod trojka(svaka aminokiselina je kodirana sa tri nukleotida); 2) nepreklapanje(susedni trojci nemaju zajedničke nukleotide); 3) degenerisati(s izuzetkom metionina i triptofana, sve aminokiseline imaju više od jednog kodona); 4) univerzalni(u osnovi isti za sve žive organizme); 5) u kodonima za jednu aminokiselinu prva dva nukleotida su obično ista, ali treći varira; 6) ima linearni redosled čitanja i karakteriše ga kolinearnost, tj. podudarnost redosleda kodona u mRNA sa redom aminokiselina u sintetizovanom polipeptidnom lancu.
