73. Az RNS szerkezete. RNS típusok. Szerepük az anyagcserében.
Ribonukleinsav (RNS) egyszálú biopolimer, amelynek monomerjei nukleotidok.
Az új RNS-molekulák szintézisének templátja a dezoxiribonukleinsav-molekulák (RNS-transzkripció). Bár egyes esetekben a fordított folyamat is lehetséges (egyes vírusok replikációja során új DNS képződése az RNS-templáton). Más ribonukleinsav-molekulák (RNS-replikáció) szintén az RNS-bioszintézis alapjául szolgálhatnak. A sejtmagban előforduló RNS transzkripciójában számos enzim vesz részt, ezek közül a legjelentősebb az RNS polimeráz.
RNS szerkezet.
A molekula egyszálú szerkezetű. Polimer. A nukleotidok egymás közötti kölcsönhatása következtében az RNS-molekula különböző alakú másodlagos szerkezetet (hélix, gömböcske stb.) kap. Az RNS-monomer egy nukleotid (nitrogéntartalmú bázist, foszforsav-maradékot és cukrot (peptózt) tartalmazó molekula). Az RNS szerkezetében hasonló a DNS egyetlen szálához. Az RNS-t alkotó nukleotidok: guanin, adenin, citozin, uracil. Az adenin és a guanin purinbázis, míg a citozin és az uracil pirimidinbázis. A DNS-molekulától eltérően a ribonukleinsav szénhidrát komponense nem dezoxiribóz, hanem ribóz. A második jelentős különbség az RNS és a DNS kémiai szerkezetében az, hogy a ribonukleinsav molekulában nincs olyan nukleotid, mint a timin. Az RNS-ben uracil helyettesíti.
Az RNS funkciói a ribonukleinsav típusától függően eltérőek.
1) Messenger RNS (i-RNS).
Ezt a biopolimert néha hírvivő RNS-nek (mRNS) is nevezik. Az ilyen típusú RNS mind a sejtmagban, mind a sejt citoplazmájában található. A fő cél a fehérje szerkezetére vonatkozó információk átvitele a dezoxiribonukleinsavból a riboszómákba, ahol a fehérje molekula összeáll. Az RNS-molekulák viszonylag kis populációja, az összes molekula kevesebb mint 1%-a.
2) Riboszomális RNS (r-RNS).
Az RNS leggyakoribb típusa (a sejtben található összes ilyen típusú molekula körülbelül 90%-a). Az R-RNS a riboszómákban található, és a fehérjemolekulák szintézisének templátja. Más típusú RNS-ekhez képest a legnagyobb méretekkel rendelkezik. A molekulatömeg elérheti az 1,5 millió kDaltont vagy többet.
3) Transzfer RNS (t-RNS).
Főleg a sejt citoplazmájában található. A fő cél az aminosavak szállítása (transzfer) a fehérjeszintézis helyére (riboszómákba). A transzfer RNS a sejtben található összes RNS molekula 10%-át teszi ki. Más RNS-molekulákhoz képest a legkisebb méretű (legfeljebb 100 nukleotid).
4) Kisebb (kis) RNS.
Ezek legtöbbször kis molekulatömegű RNS-molekulák, amelyek a sejt különböző részein (membrán, citoplazma, organellumok, sejtmag stb.) helyezkednek el. Szerepük nem teljesen érthető. Bebizonyosodott, hogy segíthetik a riboszómális RNS érését, részt vesznek a fehérjék sejtmembránon való átjuttatásában, elősegítik a DNS-molekulák reduplikációját stb.
5) Ribozimek.
A közelmúltban azonosított RNS-típus, amely enzimként (katalizátorként) aktívan részt vesz a sejt enzimatikus folyamataiban.
6) Vírus RNS.
Bármely vírus csak egyféle nukleinsavat tartalmazhat: DNS-t vagy RNS-t. Ennek megfelelően RNS-tartalmúnak nevezzük azokat a vírusokat, amelyek összetételében RNS-molekula található. Az ilyen típusú vírus sejtbe kerülésekor a reverz transzkripció (RNS alapú új DNS képződése) folyamata következhet be, és az újonnan képződött vírus DNS beépül a sejt genomjába, és biztosítja a kórokozó létezését és szaporodását. A forgatókönyv második változata a komplementer RNS képződése a beérkező vírus RNS mátrixán. Ebben az esetben az új vírusfehérjék képződése, a vírus élettevékenysége és szaporodása dezoxiribonukleinsav részvétele nélkül, csak a vírus RNS-én rögzített genetikai információ alapján történik.
A ribonukleinsav purin és pirimidin ribonukleotidok kopolimerje, amelyek a DNS-hez hasonlóan foszfodiészter hidakkal kapcsolódnak egymáshoz (37.6. ábra). Bár ebben a két nukleinsavtípusban sok közös vonás van, számos dologban különböznek egymástól.
1. Az RNS-ben a szénhidrát, amelyhez purin- vagy pirimidinbázisok és foszfátcsoportok kapcsolódnak, ribóz, nem pedig 2-dezoxiribóz (mint a DNS-ben).
2. Az RNS pirimidin komponensei eltérnek a DNS komponenseitől. Az RNS összetétele, valamint a DNS összetétele magában foglalja az adenin, guanin és citozin nukleotidjait. Ugyanakkor az RNS (néhány speciális eset kivételével, amelyeket alább tárgyalunk) nem tartalmaz timint, helyét az RNS molekulában az uracil foglalja el.
3. Az RNS egyszálú molekula (ellentétben a DNS-sel, amelynek kétszálú szerkezete van), azonban ha az RNS-láncban komplementer szekvenciával (ellentétes polaritású) szakaszok találhatók, akkor egyetlen RNS-lánc összehajtva alakulhat ki. -úgynevezett "hajtűk", olyan szerkezetek, amelyek kétszálú jellemzőkkel rendelkeznek (37.7. ábra).
Rizs. 37.6. Ribonukleinsav (RNS) molekula fragmentuma, amelyben a purin és pirimidin bázisokat - adenint (A), uracilt (U), citozint (C) és guanint (- egy foszfodiészter váz tartja meg, amely ribozil-maradékokat köt össze N-vel glikozidkötés a megfelelő nukleinbázisokhoz Megjegyzendő, hogy az RNS-szál specifikus irányultsággal rendelkezik, amelyet az 5- és 3-terminális foszfátmaradékok jeleznek.
4. Mivel az RNS-molekula egyetlen szál, amely csak az egyik DNS-szálat komplementer, a benne lévő guanintartalom nem feltétlenül egyenlő a citozin-tartalommal, az adenin-tartalom pedig nem feltétlenül egyenlő az uracil-tartalommal.
5. Az RNS lúggal hidrolizálható mononukleotidok 2,3-ciklusos diészterévé; A 2,Y,5-triészter köztes hidrolízistermékként működik, amely a DNS lúgos hidrolízise során nem képződik, mivel az utóbbiban nincsenek 2-hidroxilcsoportok; az RNS lúgos labilitása (a DNS-hez képest) diagnosztikai és analitikai célokra egyaránt hasznos tulajdonság.
Az egyszálú RNS-ben lévő információ a polimer lánc purin- és pirimidinbázisok specifikus szekvenciája formájában valósul meg (azaz az elsődleges szerkezetben). Ez a szekvencia komplementer annak a génnek a kódoló szálával, amelyből az RNS "leolvasott". A komplementaritás miatt az RNS-molekula képes specifikusan kötődni (hibridizálódni) a kódoló szálhoz, de nem hibridizálni a nem kódoló DNS-szálhoz. Az RNS-szekvencia (a T U-val való helyettesítése kivételével) megegyezik a nem kódoló génszál szekvenciájával (37.8. ábra).
Az RNS biológiai funkciói
Az RNS számos típusa ismert. Szinte mindegyik közvetlenül részt vesz a fehérje bioszintézis folyamatában. A fehérjeszintézis templátjaként működő citoplazmatikus RNS-molekulákat hírvivő RNS-nek (mRNS) nevezik. A citoplazmatikus RNS egy másik típusa, a riboszómális RNS (rRNS) a riboszómák (a fehérjeszintézisben fontos szerepet játszó organellumok) szerkezeti komponenseinek szerepét tölti be. A transzfer RNS (tRNS) adaptermolekulák részt vesznek az mRNS információ transzlációjában (transzlációjában) a fehérjék aminosavszekvenciájába.
Az eukarióta sejtekben, köztük az emlőssejtekben termelődő elsődleges RNS-transzkriptumok jelentős része a sejtmagban lebomlik, és nem játszik semmilyen szerkezeti vagy információs szerepet a citoplazmában. A termesztett
Rizs. 37.7. A "szárral hurok" ("hajtű") típusú RNS-molekula másodlagos szerkezete, amely a komplementer nukleinbázispárok közötti hidrogénkötések intramolekuláris képződéséből adódik.
Emberi sejtekben a kis nukleáris RNS-ek egy osztályát fedezték fel, amelyek közvetlenül nem vesznek részt a fehérjeszintézisben, de hatással lehetnek az RNS-feldolgozásra és a sejt általános „architektúrájára”. Ezeknek a viszonylag kis molekuláknak a mérete változó, az utóbbiak 90-300 nukleotidot tartalmaznak (37.3. táblázat).
Az RNS egyes állati és növényi vírusok fő genetikai anyaga. Egyes RNS-vírusok soha nem mennek keresztül az RNS DNS-vé való reverz transzkripcióján. A legtöbb ismert állati vírust, például a retrovírusokat azonban RNS-genomjuk reverz transzkripciója jellemzi, amelyet az RNS-függő DNS-polimeráz (reverz transzkriptáz) irányít, hogy kettős szálú DNS-kópiát hozzon létre. Az így létrejövő kétszálú DNS-transzkriptum sok esetben beépül a genomba, és tovább biztosítja a vírusgének expresszióját, valamint a vírus RNS-genomok új másolatainak előállítását.
Az RNS szerkezeti szerveződése
Minden eukarióta és prokarióta szervezetben az RNS-molekulák három fő osztálya létezik: információs (mátrix vagy hírvivő) RNS (mRNS), transzport (tRNS) és riboszómális (rRNS). Ezen osztályok képviselői méretben, funkcióban és stabilitásban különböznek egymástól.
Az információs (mRNS) a legheterogénebb osztály méretét és stabilitását tekintve. Ennek az osztálynak minden képviselője információhordozóként szolgál a géntől a sejt fehérjeszintetizáló rendszerébe. Templátként működnek a szintetizált polipeptid számára, azaz meghatározzák a fehérje aminosavszekvenciáját (37.9. ábra).
A hírvivő RNS-ek, különösen az eukarióták, egyedi szerkezeti jellemzőkkel rendelkeznek. Az mRNS 5-végét a szomszédos 2-0-metilribonukleozid 5-hidroxilcsoportjához trifoszfát-maradékon keresztül kapcsolódó 7-metil-guanozin-trifoszfát "lezárja" (37.10. ábra). Az mRNS-molekulák gyakran tartalmaznak belső 6-metil-adenint és 2-0-metilezett ribonukleotidokat. Bár a "capping" jelentése még nem teljesen tisztázott, feltételezhető, hogy az mRNS 5-terminálisának eredő szerkezetét specifikus felismerésre használják a transzlációs rendszerben. A fehérjeszintézis az mRNS 5"-os (sapkás) végén kezdődik. A legtöbb mRNS-molekula másik vége (3-vége) egy 20-250 nukleotidból álló poliadenilát láncot tartalmaz. Ennek konkrét funkciói még nem tisztázottak véglegesen. Feltételezzük, hogy ez a szerkezet felelős az intracelluláris stabilitás fenntartásáért mRNS Egyes mRNS-ek, beleértve a hisztonokat is, nem tartalmaznak poli(A)-t. A poli(A) jelenléte az mRNS szerkezetében arra szolgál, hogy az összes RNS frakcionálásával elkülönüljön más típusú RNS-től. A szilárd hordozón, például cellulózon rögzített oligo(T) oszlopokon lévő RNS az oszloppal a poli(A)-"farok" és az immobilizált oligo (T) komplementer kölcsönhatásai miatt következik be.
Rizs. 37.8. Egy gén szekvenciája és RNS-transzkriptuma. A kódoló és nem kódoló szálak láthatók, és polaritásuk fel van tüntetve. A polaritással rendelkező RNS-transzkript komplementer a kódoló szálhoz (3-5 polaritással), és szekvenciáját tekintve azonos (kivéve a T-U szubsztitúciókat) és a nem kódoló DNS-szál polaritását.
Rizs. 37.9. DNS genetikai információ kifejeződése mRNS transzkriptum formájában és ezt követő transzlációja riboszómák részvételével egy specifikus fehérjemolekula kialakítása érdekében.
(lásd szkennelés)
Rizs. 37.10. A legtöbb eukarióta hírvivő RNS 5-terminálisán található "sapka" szerkezet, a 7-metil-guanozin-trifoszfát az mRNS 5-terminálisához kapcsolódik. amely általában 2-O-metilpurin nukleotidot tartalmaz.
Emlőssejtekben, beleértve az emberi sejteket is, a citoplazmában található érett mRNS-molekulák nem a gén átírt régiójának teljes másolatai. A transzkripció eredményeként képződő poliribonukleotid a citoplazmatikus mRNS prekurzora, a sejtmag elhagyása előtt specifikus feldolgozáson megy keresztül. Az emlőssejtek magjában található feldolgozatlan transzkripciós termékek az RNS-molekulák negyedik osztályát alkotják. Az ilyen nukleáris RNS-ek nagyon heterogének és jelentős méretűek. A heterogén nukleáris RNS molekulák molekulatömege nagyobb lehet, mint , míg az mRNS molekulatömege általában nem haladja meg a 2106-ot. A sejtmagban feldolgozódnak, és a keletkező érett mRNS-ek a citoplazmába jutnak, ahol a fehérje mátrixaként szolgálnak. bioszintézis.
A transzfer RNS (tRNS) molekulák általában körülbelül 75 nukleotidot tartalmaznak. Az ilyen molekulák molekulatömege . tRNS-ek is keletkeznek a megfelelő prekurzor molekulák specifikus feldolgozása következtében (lásd 39. fejezet). A transzport tRNS-ek mediátorként működnek az mRNS transzláció során. Minden sejtben legalább 20 típusú tRNS-molekula található. A tRNS minden típusa (néha több típusa) megfelel a fehérjeszintézishez szükséges 20 aminosav egyikének. Bár mindegyik specifikus tRNS nukleotidszekvenciájában különbözik a többitől, mindegyiknek van közös jellemzője. A szálon belüli komplementer régiók miatt minden tRNS másodlagos szerkezettel rendelkezik, amelyet "lóherelevélnek" neveznek (37.11. ábra).
Minden típusú tRNS molekulájának négy fő karja van. Az akceptor kar egy páros nukleotidokból álló „szárból” áll, és a CCA szekvenciával végződik, az adenozil-maradék Y-hidroxilcsoportján keresztül történik a kötődés az aminosav karboxilcsoportjához. A fennmaradó karok szintén komplementer bázispárokból és párosítatlan bázisok hurkából álló "szárakból" állnak (37.7. ábra). Az antikodon kar felismer egy nukleotidhármast vagy kodont (lásd a 40. fejezetet) az mRNS-ben. A D-karot a benne lévő dihidrouridin jelenléte miatt nevezték el így, a -kar pedig a T-pszeudouridin-C szekvenciájáról kapta a nevét. Az extra kar a legváltozatosabb szerkezet, és a tRNS-ek osztályozásának alapjául szolgál. Az 1. osztályú tRNS-ek (teljes számuk 75%-a) további 3-5 bázispár hosszúságú karral rendelkeznek. A 2. osztályba tartozó tRNS-molekulák extra karja 13-21 bázispár hosszú, és gyakran tartalmaz párosítatlan hurkot.
Rizs. 37.11. Az aminoacil-tRNS molekula szerkezete, amelynek 3-CCA-terminálisához aminosav kapcsolódik. Az intramolekuláris hidrogénkötések és az antikodon, a TTC és a dihidrouracil karok elhelyezkedése fel van tüntetve. (J. D. Watsontól. Molecular Biology of the Gene 3rd, ed.. Copyright 1976, 1970, 1965, W. A. Benjamin, Inc., Menlo Park Calif.)
A megfelelő karok nukleotidbázisainak komplementer kölcsönhatásának rendszere által meghatározott másodlagos szerkezet minden fajra jellemző, az akceptor kar hét bázispárt, a - kar - öt bázispárt, a D kar - három (vagy négy) bázispárt tartalmaz. bázispárok.
A tRNS-molekulák nagyon stabilak prokariótákban, és valamivel kevésbé stabilak eukariótákban. A fordított helyzet jellemző az mRNS-re, amely prokariótákban meglehetősen instabil, míg eukarióta szervezetekben jelentős stabilitású.
Riboszomális RNS. A riboszóma egy citoplazmatikus nukleoprotein szerkezet, amelyet fehérjeszintézisre terveztek egy mRNS-templátból. A riboszóma specifikus kontaktust biztosít, melynek eredményeként egy specifikus génről leolvasott nukleotid szekvencia a megfelelő fehérje aminosav szekvenciájává transzlálódik.
táblázatban. A 37.2. ábra az emlős riboszómák komponenseit mutatja 4,210 6 molekulatömeggel és ülepedési sebességgel (Swedberg-egység). Az emlősök riboszómái két nukleoprotein alegységből állnak, a nagy c
37.2. táblázat. Emlős riboszóma komponensek
molekulatömeg (60S), és kicsi, molekulatömege (40S). A 608-as alegység 58-riboszómális RNS-t (rRNS), 5,8S-pRNS-t és 28S-pRNS-t, valamint több mint 50 különböző polipeptidet tartalmaz. A kicsi, 408 alegységből egyetlen 18S-pRNS és körülbelül 30 polipeptid lánc található. Az 5S-RNS kivételével minden riboszómális RNS-nek van egy közös prekurzora, a 45S-RNS, amely a sejtmagban található (lásd a 40. fejezetet). Az 5S-RNS molekulának saját prekurzora van. A sejtmagban az erősen metilált riboszomális RNS-ek riboszomális fehérjékkel vannak csomagolva. A citoplazmában a riboszómák meglehetősen stabilak, és nagyszámú transzlációs ciklust képesek végrehajtani.
Kicsi stabil RNS. Eukarióta sejtekben nagyszámú diszkrét, erősen konzervált, kicsi és stabil RNS-molekulát találtak. A legtöbb ilyen típusú RNS a ribonukleoproteinekben található, és a sejtmagban, a citoplazmában vagy egyidejűleg mindkét kompartmentben lokalizálódik. Ezeknek a molekuláknak a mérete 90-300 nukleotid között változik, tartalmuk 100 000-1 000 000 kópia sejtenként.
A génexpresszió szabályozásában valószínűleg lényeges szerepet játszanak a kis nukleáris ribonukleinsav részecskék (amit gyakran snurp-nak neveznek - az angol kis nukleáris ribonukleinsav részecskékből). Úgy tűnik, hogy az U7 típusú nukleoprotein részecskék részt vesznek a hiszton mRNS-ek 3-terminálisának kialakításában. A részecskék valószínűleg szükségesek a poliadenilezéshez, az intron eltávolításhoz és az mRNS feldolgozásához (lásd a 39. fejezetet). Tab. 37.3. összefoglalja a kis stabil RNS-ek néhány jellemzőjét.
37.3. táblázat. Az emlőssejtekben található kisméretű, stabil RNS bizonyos típusai
IRODALOM
Darnell J. et al. Molekuláris sejtbiológia, Scientific American Books, 1986.
Hunt T. DNA Makes RNA Makes Protein, Elsevier, 1983. Lewin B. Genes, 2. kiadás, Wiley, 1985.
Rich A. et al. A balkezes Z-DNS kémiája és biológiája, Annu. Fordulat. Biochem., 1984, 53, 847.
Turner P. Controlling roles for snurps, Nature 1985, 316, 105. Watson J. D. The Double Helix, Atheneum, 1968.
Watson J.D., Crick F.H.C. Nukleinsavak molekuláris szerkezete. Természet, 1953, 171, 737.
Zieve G. W. Kis stabil RNS-ek két csoportja, Cell, 1981, 25, 296.
Az RNS a DNS-hez hasonlóan egy polinukleotid. Az RNS nukleotidok szerkezete a DNS-hez képest, de a következő különbségek vannak:
- Az RNS-nukleotidok dezoxiribóz helyett öt szénatomos cukrot, ribózt tartalmaznak;
- A timin nitrogénbázisa helyett uracil;
- Az RNS-molekulát általában egy lánc képviseli (egyes vírusoknál kettő);
A sejtekben vannak háromféle RNS: információs, transzport és riboszómális.
Tájékoztató Az RNS (i-RNS) a DNS egy bizonyos szakaszának másolata, és genetikai információ hordozójaként működik a DNS-ből a fehérjeszintézis helyére (riboszómára), és közvetlenül részt vesz molekuláinak összeállításában.
Szállítás Az RNS (tRNS) aminosavakat szállít a citoplazmából a riboszómákba.
A riboszómális RNS (rRNS) a riboszómák része. Úgy gondolják, hogy az r-RNS bizonyos térbeli kapcsolatot biztosít i-RNS és t-RNS.
Az RNS szerepe az örökletes információ realizálásának folyamatában.
A genetikai kód segítségével megírt örökletes információk DNS-molekulákban tárolódnak és szaporodnak annak érdekében, hogy az újonnan képződött sejtek megkapják a normális fejlődésükhöz és működésükhöz szükséges "utasításokat". Ugyanakkor a DNS közvetlenül nem vesz részt a sejtek életfenntartásában. A közvetítő szerepét, akinek feladata, hogy a DNS-ben tárolt örökletes információt működőképes formává alakítsa, a ribonukleinsavak – RNS.
A DNS-molekulákkal ellentétben a ribonukleinsavakat egy polinukleotid lánc képviseli, amely négyféle nukleotidból áll, amelyek cukrot, ribózt, foszfátot és a négy nitrogénbázis egyikét - adenint, guanint, uracilt vagy citozint - tartalmazzák. Az RNS-t DNS-molekulákon szintetizálják RNS-polimeráz enzimek segítségével a komplementaritás és az antiparallelizmus elvének megfelelően, az uracil pedig komplementer a DNS-adeninnel az RNS-ben. A sejtben ható RNS-ek teljes változata három fő típusra osztható: mRNS, tRNS, rRNS.
Az öröklődő és változékony anyag kémiai felépítése szerint az eukarióta és prokarióta sejtek alapvetően nem különböznek egymástól. Genetikai anyagukat a DNS képviseli. Közös bennük a genetikai információ rögzítésének elve, valamint a genetikai kód. Ugyanazok az aminosavak kódolódnak a pro- és eukariótákban, ugyanazokkal a kodonokkal. Elvileg a DNS-ben tárolt örökletes információ felhasználása az ilyen típusú sejtekben ugyanúgy történik. Először az mRNS-molekula nukleotidszekvenciájába íródik át, majd a tRNS részvételével a riboszómákon a peptid aminosavszekvenciájává transzlálódik. Az örökletes anyag szerveződésének bizonyos jellemzői azonban, amelyek megkülönböztetik az eukarióta sejteket a prokariótáktól, eltéréseket okoznak genetikai információik felhasználásában.
A prokarióta sejt örökítőanyagát főként egyetlen körkörös DNS-molekula tartalmazza. Közvetlenül a sejt citoplazmájában található, ahol a génexpresszióhoz szükséges tRNS-ek és enzimek is találhatók, amelyek egy részét a riboszómák tartalmazzák. A prokarióta gének teljes egészében kódoló nukleotidszekvenciákból állnak, amelyek a fehérjék, a tRNS vagy az rRNS szintézise során jönnek létre.
Az eukarióták örökítőanyaga nagyobb térfogatú, mint a prokariótáké. Főleg speciális nukleáris szerkezetekben található - kromoszómák amelyeket a sejtmag burok választ el a citoplazmától. A fehérjeszintézishez szükséges, riboszómákból, tRNS-ből, aminosavakból és enzimekből álló apparátus a sejt citoplazmájában található.
Jelentős különbségek vannak az eukarióta sejtekben lévő gének molekuláris szerveződésében. Legtöbbjük kódoló szekvenciával rendelkezik exonok megszakított intron olyan helyek, amelyeket nem használnak a t-RNS, r-RNS vagy peptidek szintézisében. Az ilyen régiók száma génenként változó, ezek a régiók eltávolíthatók az elsődlegesen átírt RNS-ből, így az eukarióta sejtekben a genetikai információ felhasználása némileg eltérően történik. Egy prokarióta sejtben, ahol az örökítőanyag és a fehérjebioszintézis apparátusa térben nem különül el, a transzkripció és a transzláció szinte egyidejűleg megy végbe. Egy eukarióta sejtben ezt a két szakaszt nemcsak térben választja el a magburok, hanem időben is elválasztják az mRNS érési folyamatai, amelyekből a nem informatív szekvenciákat el kell távolítani.
A genetikai információ kifejeződésének egyes szakaszaiban mutatkozó különbségeken túlmenően a pro- és eukariótákban e folyamatok lefolyásának néhány sajátossága is megfigyelhető.
A nukleinsavak szerkezete
Nukleinsavak – élő szervezetek foszfotartalmú biopolimerjei, amelyek biztosítják az örökletes információk megőrzését és továbbítását.
A nukleinsavak makromolekuláit F. Miescher svájci kémikus fedezte fel 1869-ben a trágyában talált leukociták magjaiban. Később nukleinsavakat találtak minden növényi és állati sejtben, gombákban, baktériumokban és vírusokban.
Megjegyzés 1
Kétféle nukleinsav létezik: dezoxiribonukleinsav (DNS) és ribonukleinsav (RNS).
Amint a nevekből is látszik, a DNS-molekula pentóz-cukor-dezoxiribózt, az RNS-molekula pedig ribózt tartalmaz.
Ma már számos DNS- és RNS-fajta ismert, amelyek szerkezetükben és anyagcseréjükben különböznek egymástól.
1. példa
Az E. coli baktériumsejtje körülbelül 1000 fajta nukleinsavat tartalmaz, állatokban és növényekben pedig még többet.
Minden élőlényfajnak megvan a saját készlete ezekből a savakból. A DNS főként a sejtmag kromoszómáiban lokalizálódik (a teljes sejt DNS %-a), valamint a kloroplasztiszokban és a mitokondriumokban. Az RNS megtalálható a citoplazmában, a sejtmagokban, a riboszómákban, a mitokondriumokban és a plasztidokban.
A DNS-molekula két, egymáshoz képest spirálisan csavart polinukleotid láncból áll. A szárnyak párhuzamosan vannak elrendezve, azaz 3 és 5 végűek.
Az egyes ilyen láncok szerkezeti komponensei (monomerjei) olyan nukleotidok. A nukleinsavmolekulákban a nukleotidok száma változó - a transzport RNS-molekulák 80-tól a DNS-ben található több tízezerig.
Bármely DNS-nukleotid tartalmazza a négy nitrogénbázis egyikét ( adenin, timin, citozin és guanin), dezoxiribózÉs foszforsav maradék.
2. megjegyzés
A nukleotidok csak nitrogéntartalmú bázisokban különböznek egymástól, amelyek között családi kapcsolatok vannak. A timin, a citozin és az uracil pirimidinbázisok, míg az adenin és a guanin purinbázisok.
A polinukleotid lánc szomszédos nukleotidjait kovalens kötések kötik össze, amelyek az egyik nukleotid DNS-molekula (vagy RNS-ribóz) dezoxiribóza és egy másik foszforsav-maradéka között jönnek létre.
3. megjegyzés
Bár egy DNS-molekulában csak négyféle nukleotid található, a hosszú láncban elfoglalt helyük szekvenciájának megváltozása miatt a DNS-molekulák óriási diverzitást érnek el.
Két polinukleotid láncot egyetlen DNS-molekulává egyesítenek hidrogénkötések segítségével, amelyek a különböző láncok nukleotidjainak nitrogénbázisai között jönnek létre.
Ugyanakkor az adenin (A) csak a timinnel (T), a guanin (G) pedig csak a citozinnal (C) kapcsolódhat. Ennek eredményeként különböző organizmusokban az adenil nukleotidok száma megegyezik a timidil nukleotidok számával, és a guanil nukleotidok száma megegyezik a citidil nukleotidok számával. Az ilyen mintát az ún "Chargaff szabálya". Így az egyik láncban a nukleotidok szekvenciáját a másik lánc szekvenciája szerint határozzuk meg.
A nukleotidoknak ezt a szelektív kombinálódási képességét ún komplementaritás, és ez a tulajdonság biztosítja az új DNS-molekulák kialakulását az eredeti molekula alapján (replikáció).
Megjegyzés 4
A kettős hélixet számos hidrogénkötés (kettő A és T között, három G és C között) és hidrofób kölcsönhatások stabilizálják.
A DNS átmérője 2 nm, a hélix osztásköze 3,4 nm, és minden fordulat 10 bázispárt tartalmaz.
A nukleinsavmolekula hossza eléri a több százezer nanométert. Ez jelentősen meghaladja a legnagyobb fehérje makromolekulát, amelynek hossza kibontott formában nem haladja meg a 100-200 nm-t.
A DNS-molekula önduplázódása
Minden sejtosztódást, a nukleotidszekvencia abszolút szigorú betartása mellett, egy DNS-molekula replikációja előz meg.
Azzal kezdődik, hogy a DNS kettős hélixe átmenetileg kicsavarodott. Ez a DNS topoizomeráz és DNS-helikáz enzimek hatására következik be. A DNS-polimeráz és a DNS-primáz katalizálja a nukleozid-trifoszfátok polimerizációját és egy új lánc kialakulását.
A replikáció pontosságát az épülő mátrixlánc nitrogénbázisainak komplementer (A - T, G - C) kölcsönhatása biztosítja.
Megjegyzés 5
Mindegyik polinukleotid lánc egy új komplementer lánc templátja. Ennek eredményeként két DNS-molekula képződik, amelyek egyik fele a szülőmolekulából származik, a másik pedig újonnan szintetizálódik.
Sőt, az új láncokat először rövid fragmentumok formájában szintetizálják, majd ezeket a fragmentumokat egy speciális enzim hosszú láncokká „térhálósítja”.
A képződött két új DNS-molekula a replikáció miatt az eredeti molekula pontos másolata.
Ez a folyamat az alapja az örökletes információk továbbításának, amely sejt- és szervezeti szinten történik.
Megjegyzés 6
A DNS-replikáció legfontosabb jellemzője a nagy pontosság, amelyet egy speciális fehérjekomplex - a „replikációs gép” - biztosít.
A "replikációs gép" funkciói:
- szénhidrátokat termel, amelyek komplementer párt alkotnak a kiindulási mátrix lánc nukleotidjaival;
- katalizátorként működik a kovalens kötés kialakításában a növekvő lánc vége és az egyes új nukleotidok között;
- korrigálja a szálat azáltal, hogy eltávolítja a rossz helyen lévő nukleotidokat.
A „replikációs gép” hibáinak száma nagyon kicsi, kevesebb mint egy hiba 1 milliárd nukleotidonként.
Vannak azonban olyan esetek, amikor a „replikációs gép” képes kihagyni vagy beilleszteni néhány extra bázist, T helyett C-t vagy G helyett A-t tartalmazhat. A DNS-molekulában a nukleotidszekvencia minden ilyen cseréje genetikai hiba, és ún. mutáció. Az összes következő sejtgenerációban az ilyen hibák ismét reprodukálódnak, ami észrevehető negatív következményekhez vezethet.
Az RNS típusai és funkcióik
Az RNS egyetlen polinukleotid lánc (egyes vírusoknak két lánca van).
A monomerek ribonukleotidok.
Nitrogénbázisok a nukleotidokban:
- adenin (A);*
- guanin (G);
- citozin (C);
- uracil (U).*
Monoszacharid - ribóz.
A sejtben a sejtmagban (nucleolus), a mitokondriumokban, a kloroplasztiszokban, riboszómákban és a citoplazmában lokalizálódik.
Mátrix szintézissel szintetizálódik a komplementaritás elve szerint az egyik DNS-szálon, nem képes replikációra (önkettőződni), labilis.
Különböző típusú RNS-ek léteznek, amelyek molekulaméretükben, szerkezetükben, sejthelyzetükben és funkciójukban különböznek egymástól.
Alacsony molekulatömeg transzfer RNS (tRNS) a sejt RNS teljes mennyiségének körülbelül 10%-át teszik ki.
A genetikai információ átvitelének folyamatában minden tRNS csak egy bizonyos aminosavat (például lizint) tud rögzíteni és átvinni a riboszómákba, a fehérjeszintézis helyére. De minden aminosavhoz több tRNS tartozik. Ezért több mint 20 különböző tRNS létezik, amelyek primer szerkezetükben különböznek egymástól (más nukleotidszekvenciával rendelkeznek).
Riboszomális RNS (rRNS) az összes RNS-sejt 85%-át teszik ki. A riboszóma részeként szerkezeti funkciót látnak el. Az rRNS részt vesz a riboszóma aktív centrumának kialakításában is, ahol a fehérjebioszintézis során peptidkötések jönnek létre az aminosavmolekulák között.
Val vel információ vagy mátrix, RNS (mRNS) a fehérjeszintézis a sejtben van programozva. Bár tartalmuk a sejtben viszonylag alacsony - körülbelül 5%-a - a sejtben található összes RNS össztömegének, fontosságukat tekintve az mRNS-ek az első helyen állnak, mivel közvetlenül adják át a fehérjeszintézis DNS-kódját. Minden sejtfehérje egy specifikus mRNS-t kódol. Ez azzal magyarázható, hogy az RNS szintézise során információt kap a DNS-től a fehérje szerkezetéről egy másolt nukleotidszekvencia formájában, és továbbítja azt a riboszómába feldolgozás és megvalósítás céljából.
Megjegyzés 7
Az összes RNS-típus jelentősége abban rejlik, hogy funkcionálisan integrált rendszer, amelynek célja a rájuk jellemző fehérjék szintézisének megvalósítása a sejtben.
Az ATP kémiai szerkezete és szerepe az energiaanyagcserében
Adenozin-trifoszforsav (ATP ) minden sejtben megtalálható - a hialoplazmában (a citoplazma oldható frakciója), a mitokondriumokban, a kloroplasztiszokban és a sejtmagban.
Energiát biztosít a sejtben végbemenő legtöbb reakcióhoz. Az ATP segítségével a sejt képes mozogni, új fehérje-, zsír- és szénhidrátmolekulákat szintetizálni, megszabadulni a bomlástermékektől, aktív transzportot végezni stb.
Az ATP molekulát egy nitrogéntartalmú bázis, egy öt szénatomos cukor, ribóz és három foszforsavmaradék alkotja. Az ATP-molekulában lévő foszfátcsoportok nagy energiájú (makroerg) kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz.
A végső foszfátcsoport hidrolitikus hasítása következtében adenozin-difoszforsav (ADP) és energia szabadul fel.
A második foszfátcsoport eltávolítása után adenozin-monofoszforsav (AMP)és az energia egy másik része szabadul fel.
Az ATP ADP-ből és szervetlen foszfátból képződik a szerves anyagok oxidációja és a fotoszintézis során felszabaduló energia hatására. Ezt a folyamatot foszforilációnak nevezik. Ebben az esetben legalább 40 kJ/mol ATP-t kell használni, amely a makroerg kötéseiben halmozódott fel.
Ez azt jelenti, hogy a légzési és fotoszintézis folyamatainak fő jelentősége, hogy energiát szolgáltatnak az ATP szintéziséhez, melynek részvételével a sejtben jelentős számú különböző folyamat játszódik le.
Az ATP rendkívül gyorsan helyreáll. Példa Emberben minden ATP molekula naponta 2400 alkalommal bomlik le és újul meg, ezért átlagos élettartama kevesebb, mint 1 perc.
Az ATP szintézis főként mitokondriumokban és kloroplasztiszokban zajlik. A képződött ATP az endoplazmatikus retikulum csatornáin keresztül bejut a sejt azon részeibe, ahol energiára van szükség.
Bármilyen sejttevékenység az ATP hidrolízise során felszabaduló energia miatt következik be. A fennmaradó energia (kb. 50%), amely a fehérjék, zsírok, szénhidrátok és más szerves vegyületek molekuláinak lebomlása során szabadul fel, hő formájában disszipálódik és eloszlik, és nincs gyakorlati jelentősége a sejt életében.
az RNS három fő típusa: információs(mRNS), vagy mátrix(mRNS), riboszómális(rRNS) és szállítás(tRNS). Molekulaméretükben és funkciójukban különböznek egymástól. Minden típusú RNS szintetizálódik a DNS-en enzimek - RNS polimerázok - részvételével. A hírvivő RNS az összes sejt RNS 2-3%-át teszi ki, a riboszómális - 80-85, a transzport - körülbelül 15%-át.
mRNS. örökletes információt olvas ki egy DNS-darabból, és nitrogénbázisok másolt szekvenciája formájában továbbítja a riboszómákba, ahol egy adott fehérje szintetizálódik. Mindegyik mRNS-molekula nukleotid sorrendben és méretben megfelel annak a DNS-nek a génjének, amelyből átírták. Az mRNS átlagosan 1500 nukleotidot (75-3000) tartalmaz. Az mRNS-en minden hármast (három nukleotidot) kodonnak nevezünk. A kodontól függ, hogy a fehérjeszintézis során melyik aminosav jelenik meg egy adott helyen.
(tRNS) viszonylag alacsony molekulatömege, körülbelül 24-29 ezer D, és egy molekula 75-90 nukleotidot tartalmaz. Az összes tRNS nukleotid legfeljebb 10%-a kisebb bázis, ami láthatóan megvédi a hidrolitikus enzimek hatásától.A tRNS szerepe az, hogy aminosavakat szállítanak a riboszómákba és részt vesznek a fehérjeszintézis folyamatában. Minden aminosav egy specifikus tRNS-hez kötődik. Egyes aminosavak egynél több tRNS-t tartalmaznak. Eddig több mint 60 tRNS-t fedeztek fel, amelyek primer szerkezetükben (bázisszekvenciájuk) különböznek egymástól. Az összes tRNS másodlagos szerkezete egy kétszálú szárral és három egyszálú lóhere formájában jelenik meg. Az egyik lánc végén van egy akceptor hely - a CCA triplett, amelynek adeninéhez egy specifikus aminosav kapcsolódik.
(rRNS). 120-3100 nukleotidot tartalmaznak. A riboszómális RNS felhalmozódik a sejtmagban, a sejtmagokban. A citoplazmából a riboszómális fehérjék a sejtmagokba kerülnek, és ott spontán riboszómális szubrészecskék képződnek a fehérjéknek a megfelelő rRNS-sel való kombinálásával. A riboszóma részszemcséi együtt vagy külön-külön a magmembrán pórusain keresztül a citoplazmába jutnak. Riboszómák 20-30 nm méretű organellumok. Két különböző méretű és formájú részrészecskéből épülnek fel. A sejtben a fehérjeszintézis bizonyos szakaszaiban a riboszómák alrészecskékre oszlanak. A riboszómális RNS a riboszómák vázaként szolgál, és elősegíti az mRNS kezdeti kötődését a riboszómához a fehérje bioszintézis során.
A genetikai kód a fehérjék aminosav-szekvenciájának kódolása egy olyan nukleotidszekvencia segítségével, amely minden élő szervezetre jellemző.
Tulajdonságok: 1) genetikai kód hármas(minden aminosavat három nukleotid kódol); 2) nem átfedő(a szomszédos hármasoknak nincs közös nukleotidja); 3) elfajzott(a metionin és a triptofán kivételével minden aminosavnak egynél több kodonja van); 4) egyetemes(többnyire minden élő szervezetre ugyanaz); 5) egy aminosav kodonjaiban az első két nukleotid általában azonos, a harmadik pedig változó; 6) lineáris olvasási sorrenddel rendelkezik, és az jellemzi egyvonalasság, azaz az mRNS-ben lévő kodonok elrendeződési sorrendjének egybeesését a szintetizált polipeptidláncban lévő aminosavak elrendeződésének sorrendjével.
