По своему химическому строению ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота ) является биополимером , мономерами которого являются нуклеотиды . То есть ДНК - это полинуклеотид . Причем молекула ДНК обычно состоит из двух цепей, закрученных друг относительно друга по винтовой линии (часто говорят «спирально закрученных») и соединенных между собой водородными связями.

Цепочки могут быть закручены как в левую, так и в правую (чаще всего) сторону.

У некоторых вирусов ДНК состоит из одной цепи.

Каждый нуклеотид ДНК состоит из 1) азотистого основания, 2) дезоксирибозы, 3) остатка фосфорной кислоты.

Двойная правозакрученная спираль ДНК

В состав ДНК входят следующие: аденин , гуанин , тимин и цитозин . Аденин и гуанин относятся к пуринам , а тимин и цитозин - к пиримидинам . Иногда в состав ДНК входит урацил, который обычно характерен для РНК , где замещает тимин.

Азотистые основания одной цепи молекулы ДНК соединяются с азотистыми основаниями другой строго по принципу комплементарности: аденин только с тимином (образуют между собой две водородные связи), а гуанин только с цитозином (три связи).

Азотистое основание в самом нуклеотиде соединено с первым атомом углерода циклической формы дезоксирибозы , которая является пентозой (углеводом с пятью атомами углерода). Связь является ковалентной, гликозидной (C-N). В отличие от рибозы у дезоксирибозы отсутствует одна из гидроксильных групп. Кольцо дезоксирибозы формируют четыре атома углерода и один атом кислорода. Пятый атом углерода находится вне кольца и соединен через атом кислорода с остатком фосфорной кислоты. Также через атом кислорода у третьего атома углерода присоединяется остаток фосфорной кислоты соседнего нуклеотида.

Таким образом, в одной цепи ДНК соседние нуклеотиды связаны между собой ковалентными связями между дезоксирибозой и фосфорной кислотой (фосфодиэфирная связь). Образуется фосфат-дезоксирибозный остов. Перпендикулярно ему, навстречу другой цепочке ДНК, направлены азотистые основания, которые соединяются с основаниями второй цепочки водородными связями.

Строение ДНК таково, что остовы соединенных водородными связями цепочек направлены в разные стороны (говорят «разнонаправлены», «антипараллельны»). С той стороны, где одна заканчивается фосфорной кислотой, соединенной с пятым атомом углерода дезоксирибозы, другая заканчивается «свободным» третьим атомом углерода. То есть остов одной цепочки перевернут как бы с ног на голову относительно другой. Таким образом, в строении цепочек ДНК различают 5"-концы и 3"-концы.

При репликации (удвоении) ДНК синтез новых цепочек всегда идет от их 5-го конца к третьему, так как новые нуклеотиды могут присоединяться только к свободному третьему концу.

В конечном итоге (опосредованно через РНК) каждые идущие подряд три нуклеотида в цепи ДНК кодируют одну аминокислоту белка.

Открытие строения молекулы ДНК произошло в 1953 году благодаря работам Ф. Крика и Д. Уотсона (чему также способствовали ранние работы других ученых). Хотя как химическое вещество ДНК было известно еще в XIX веке. В 40-х годах XX века стало ясно, что именно ДНК является носителем генетической информации.

Двойная спираль считается вторичной структурой молекулы ДНК. У клетках эукариот подавляющее количество ДНК находится в хромосомах , где связана с белками и другими веществами, а также подвергается более плотной упаковке.

В данной статье вы сможете узнать биологическую роль ДНК. Итак, данная аббревиатура всем знакома еще со школьной скамьи, но далеко не все имеют представление, что это такое. В памяти после школьного курса биологии остаются минимальные знания по генетике и наследственности, так как эту сложную тему детям дают только поверхностно. Но эти знания (биологическая роль ДНК, оказываемое влияние на организм) могут быть невероятно полезными.

Начнем с того, что нуклеиновые кислоты выполняют важную функцию, а именно - обеспечивают непрерывность жизни. Эти макромолекулы представлены в двух формах:

• ДНК (DNA);
• РНК (RNA).

Они являются передатчиками генетического плана строения и функционирования клеток организма. Поговорим о них более подробно.

ДНК и РНК

Начнем с того, какая отрасль науки занимается такими сложными вопросами, как:

• изучение принципов хранения ;
• ее реализация;
• передача;
• изучение структуры биополимеров;
• их функции.

Все это изучается молекулярной биологией. Именно в этой отрасли биологических наук можно найти ответ на вопрос о том, какова биологическая роль ДНК и РНК.

Эти высокомолекулярные соединения, образованные из нуклеотидов, имеют название "нуклеиновые кислоты". Именно здесь хранится информация об организме, которая определяет развитие особи, рост и наследственность.

Открытие дезоксирибонуклеиновой и приходится на 1868 год. Тогда ученым удалось обнаружить их в ядрах лейкоцитов и сперматозоидах лося. Последующее изучение показало, что ДНК можно обнаружить во всех клетках растительной и животной природы. Модель ДНК была представлена в 1953 году, а Нобелевская премия за открытие вручена в 1962 году.

ДНК

Начнем этот раздел с того, что всего выделяется 3 типа макромолекул:

• дезоксирибонуклеиновая кислота;
• рибонуклеиновая кислота;
• белки.

Сейчас мы более подробно рассмотрим строение, биологическую роль ДНК. Итак, этот биополимер передает данные о наследственности, особенностях развития не только носителя, но и всех предыдущих поколений. - нуклеотид. Таким образом, ДНК является главным компонентом хромосом, содержащим генетический код.

Как становится возможной передача этой информации? Все дело заключается в умении этих макромолекул самовоспроизводиться. Число их бесконечно, что можно объяснить большими размерами, а как следствие - огромным количеством всевозможных последовательностей нуклеотидов.

Структура ДНК

Для того чтобы понять биологическую роль ДНК в клетке, необходимо ознакомиться со структурой данной молекулы.

Начнем с самого простого, все нуклеотиды в своей структуре имеют три компонента:

• азотистое основание;
• пентозный сахар;
• фосфатную группу.

Каждый отдельный нуклеотид в молекуле ДНК содержит одно азотистое основание. Оно может быть абсолютно любым из четырех возможных:

• А (аденин);
• Г (гуанин);
• Ц (цитозин);
• Т (тимин).

А и Г - пурины, а Ц, Т и У (урацил) - пирамидины.

Существует несколько правил соотношения азотистых оснований, именуемых правилами Чаргаффа.

1. А = Т.
2. Г = Ц.
3. (А + Г = Т + Ц) можем перенести все неизвестные в левую сторону и получить: (А + Г)/(Т + Ц) = 1 (эта формула является наиболее удобной при решении задач по биологии).
4. А + Ц = Г + Т.
5. Величина (А + Ц)/(Г + Т) постоянная. У человека она равняется 0,66, а вот, например, у бактерии - от 0,45 до 2,57.

Строение каждой молекулы ДНК напоминает двойную закрученную спираль. Обратите внимание на то, что полинуклеотидные цепи при этом являются антипараллельными. То есть расположение нуклеотидных пар у одной цепи имеет обратную последовательность, чем у другой. Каждый виток этой спирали содержит целых 10 нуклеотидных пар.

Как же скрепляются между собой эти цепочки? Почему молекула прочная и не распадается? Все дело в водородной связи между азотистыми основаниями (между А и Т - две, между Г и Ц - три) и гидрофобном взаимодействии.

В завершение раздела хочется упомянуть о том, что ДНК являются самыми крупными органическими молекулами, длина которых варьируется от 0,25 до 200 нм.

Комплементарность

Остановимся более подробно на парных связях. Уже мы говорили о том, что пары азотистых оснований образуются не хаотичным характером, а в строгой последовательности. Так, аденин может связаться только с тимином, а гуанин - только с цитозином. Это последовательное расположение пар в одной цепи молекулы диктует расположение их в другой.

При репликации или удвоении для образования новой молекулы ДНК обязательно соблюдается данное правило, имеющее название "комплементарность". Можно заметить следующую закономерность, которую упоминали в сводке правил Чаргаффа - одинаково число следующих нуклеотидов: А и Т, Г и Ц.

Репликация

Теперь поговорим о биологической роли репликации ДНК. Начнем с того, что у данной молекулы есть эта уникальная способность к самовоспроизведению. Под этим термином понимается синтез дочерней молекулы.

В 1957 году было предложено три модели данного процесса:

• консервативная (сохраняется исходная молекула и образуется новая);
• полуконсервативная (разрыв исходной молекулы на моноцепи и присоединение комплементарных оснований к каждой из них);
• дисперсная (распад молекулы, репликация фрагментов и сбор в случайном порядке).

Процесс репликации имеет три этапа:

• инициация (расплетение участков ДНК при помощи фермента хеликазы);
• элонгация (удлинение цепи путем присоединения нуклеотидов);
• терминация (достижение необходимой длины).

У этого сложного процесса есть особенная функция, то есть биологическая роль - обеспечение точной передачи генетической информации.

РНК

Рассказали, в чем заключается биологическая роль ДНК, теперь предлагаем переходить к рассмотрению (то есть РНК).

Начнем этот раздел с того, что эта молекула имеет не менее важное значение по сравнению с ДНК. Мы ее можем обнаружить абсолютно в любом организме, клетках прокариот и эукариот. Данная молекула наблюдается даже в некоторых вирусах (речь идет об РНК-содержащих вирусах).

Отличительная особенность РНК - наличие одной цепи молекул, но, как и ДНК, она состоит из четырех азотистых оснований. В данном случае это:

• аденин (А);
• урацил (У);
• цитозин (Ц);
• гуанин (Г).

Все РНК делятся на три группы:

• матричная, которую принято называть информационной (сокращение возможно двумя формами: иРНК или мРНК);
• рибосомная (рРНК).

Функции

Разобравшись с биологической ролью ДНК, ее строением и особенностями РНК, предлагаем переходить к особым миссиям (функциям) рибонуклеиновых кислот.

Начнем с иРНК или мРНК, основной задачей которой является передача информации от молекулы ДНК к цитоплазме ядра. Также мРНК является матрицей для синтеза белка. Что касается процентного содержания этого вида молекул, то оно достаточно низкое (порядка 4 %).

А процентное содержание рРНК в клетке равняется 80. Они необходимы, так как являются основой рибосом. Рибосомная РНК принимает участие в синтезе белка и сборке полипептидной цепи.

Адаптер, выстраивающий аминокислоты цепи - тРНК, переносящий аминокислоты в область синтеза белка. Процентное содержание в клетке - порядка 15 %.

Биологическая роль

Подведем итог: какова биологическая роль ДНК? В момент открытия этой молекулы очевидной информации по этому поводу дать не могли, но и сейчас далеко не все известно о значении ДНК и РНК.

Если говорить об общебиологическом значении, то их роль заключается в передаче наследственной информации от поколения к поколению, синтезе белка и кодировке белковых структур.

Многие высказывают и такую версию: эти молекулы связаны не только с биологической, но и с духовной жизнью живых существ. Если верить мнению метафизиков, то в ДНК содержится опыт прошлых жизней и божественная энергия.

Молекулы нуклеиновых кислот всех ти­пов живых организмов - это длинные неразветвленные полимеры мононуклеотидов. Роль мостика между нуклеотидами выпол­няет 3",5"-фосфодиэфирная связь, соединяю­щая 5"-фосфат одного нуклеотида и 3"-гидроксильный остаток рибозы (или дезоксирибозы) следующего. В связи с этим полинуклеотидная цепь оказывается полярной. На одном ее конце остается свободной 5"-фосфатная группа, на другом 3"-ОН-группа.

ДНК, подобно белкам , имеет первич­ную, вторичную и третичную структуры.

Первичная структура ДНК . Данная структура определяет закодированную в ней информацию, представляя собой последова­тельность чередования дезоксирибонуклеотидов в полинуклеотидной цепи.

Молекула ДНК состоит из двух спиралей , имеющих одну и ту же ось, и противоположные направления. Сахарофосфатный остов располагается по периферии двойной спирали, а азотистые основания находятся внутри. Остов содержит ковалентные фосфодиэфирные связи , а обе спирали между основаниями соединены водородными связями и гидрофобными взаимодействиями.

Эти связи впервые были открыты и изучены Э.Чаргаффом в 1945 г. и получили название принципа комплементарности , а особенности образования водородных свзей между основаниями называются правилами Чаргаффа :

• пуриновое основание всегда связывается с пиримидиновым: аденин - с тимином (А®Т), гуанин – с цитозином (Г®Ц);
• молярное соотношение аденина к тимину и гуанина к цитозину равно 1 (А=Т, или А/Т=1 и Г=Ц, или Г/Ц=1);
• сумма остатков А и Г равно сумме остатков Т и Ц, т.е. А+Г=Т+Ц;
• в ДНК, выделенных из разных источников, отношение (Г+Ц)/(А+Т), называемое коэффициентом специфичности, неодинаково.

Правила Чаргаффа основаны на том, что аденин образует две связи с тимином, а гуанин образует три связи с цитозином:

На основании правил Чаргаффа можно представить двуспиральную структуру ДНК, которая приведена на рисунке.

А-форма В-форма

A-аденин, G-гуанин, C-цитозин, T-тимин

Схематическое изображение двуспиральной

молекулы ДНК

Вторичная структура ДНК . В соответствии с моделью, предложенной в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком, вторичная структура ДНК представляет собой двухцепочечную правозакрученную спираль из комплементарных друг другу антипараллельных полинуклеотидных цепей.

Для вторичной структуры ДНК решающим являются две особенности строения азотистых оснований нуклеотидов. Первая заключается в наличии групп, способных образовывать водородные связи. Вторая особенность заключается в том, что пары комплементарных оснований А-Т и Г-Ц оказываются одинаковы­ми не только по размеру, но и по форме.

Благодаря способности нуклеотидов к спариванию, образуется жесткая, хорошо стабилизированная двухцепочечная структура. Основные элементы и параметрические характеристики такой структуры наглядно изображены на рисунке.

На основе тщательного анализа рентгенограмм выделенных ДНК установ­лено, что двойная спираль ДНК может существовать в виде нескольких форм (А, В, С, Z и др.). Указанные формы ДНК различаются диаметром и шагом спирали, числом пар оснований в витке, углом наклона плоскости оснований по отношению к оси молекулы.

Третичная структура ДНК. У всех живых организмов двухспиральные молекулы ДНК плотно упакованы с образованием сложных трехмерных структур. Двухцепочечные ДНК прокариот, имеющие кольцевую ковалентно-замкнутую форму, образуют левые (-) суперспирали . Третичная структура ДНК эукариотических клеток также образуется пу­тем суперспирализации, но не свободной ДНК, а ее комплексов с белками хромосом (белки-гистоны классов Н1, Н2, Н3, Н4 и Н5).

В пространственной организации хромосом можно выделить несколько уровней. Первый уровень – нуклеосомный. В результате нуклеосомной организации хроматина двойная спираль ДНК диаметром 2 нм приобретает диаметр 10-11 нм и укорачивается примерно в 7 раз.

Вторым уровнем пространственной организации хромосом является обра­зование из нуклеосомной нити хроматиновой фибриллы диаметром 20- 30 нм (уменьшение линейных размеров ДНК еще в 6-7 раз).

Третичный уровень организации хромосом обусловлен укладкой хромати­новой фибриллы в петли. В образовании петель принимают участие негистоновые белки. Участок ДНК, со­ответствующий одной петле, содержит от 20 000 до 80 000 пар нуклеотидов. В результате такой упаковки линейные размеры ДНК уменьшаются при­мерно в 200 раз. Петлеобразная доменная организация ДНК, называемая ин­терфазной хромонемой, может подвергаться дальнейшей компактизации, сте­пень которой меняется в зависимости от фазы клеточного цикла.

Различают первичную, вторичную и третичную структуры РНК и ДНК.

Первичная структура у РНК и ДНК одинакова – это линейная полинуклеотидная цепь, в которой нуклеотиды соединены между собой фосфодиэфирными связями, которые образуют остатки фосфорной кислоты между углеродным атомом одного нуклеотида и углеродным атомом следующего нуклеотида.

Вторичная структура ДНК характеризуется правилами Э. Чаргаффа (закономерность количественного содержания азотистых оснований).

Молекулы ДНК состоят из двух антипараллельных цепей с комплементарной последовательностью нуклеотидов. Цепи закручены относительно друг друга в правозакрученную спираль так, что на один виток приходится примерно 10 пар нуклеотидов.

На основании данных рентгеноструктурного анализа и правил Чаргаффа, в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф.Криком предложена модель вторичной структуры ДНК в виде двойной спирали.

Согласно этой модели, молекула ДНК состоит из двух цепей, закрученных в правовращающуюся спираль вокруг одной и той же оси. Азотистые основания находятся внутри, а фосфорные и углеводные компоненты – снаружи. Диаметр спирали 1,8 нм. Основания образуют прямой угол с осью спирали. Шаг спирали 3,4 нм и содержит 10 пар оснований. Полинуклеотидные цепи ориентированы в противоположном направлении (антипараллельны).

Азотистые основания в молекуле ДНК расположены строго специфично, по принципу комплементарности: А взаимодействует только с Т, Г с Ц, т.е. напротив аденина всегда расположен тимин, напротив гуанина – цитозин. А-Т и Г-Ц называют комплементарными парами оснований.

Вторичная структура ДНК стабилизируется водородными связями, стэкинг- и гидрофобными взаимодействиями.

Водородные связи между парами комплементарных нуклеотидов (две для пары А-Т и три для пары Г-Ц) относительно непрочные. Они действуют поперек спирали. Поэтому комплементарные нити молекулы ДНК могут разделяться и соединяться вновь при изменении некоторых условий (например, изменении температуры или концентрации солей).

Стекинг-взаимодействие оснований - межплоскостное нековалентное взаимодействие расположенных друг над другом оснований в нуклеиновых кислотах, оно обеспечивает поддержание вторичной структуры двухцепочечной молекулы ДНК. Действуют вдоль спирали.

Гидрофобные взаимодействия возникают между соседними основаниями одной и той же цепи, что способствует своеобразной укладке цепи в виде стопок.

Третичная структура ДНК – это спираль и суперспираль в комплексе с белками. ДНК может существовать в линейной форме (в хромосомах эукариот) и в кольцевой (у прокариот и в митохондриях). Спирализация характерна для обеих форм.

Материал хромосом – хроматин – содержит, кроме самой ДНК, также гистоны, негистоновые белки, небольшое количество РНК. Хроматин – это комплекс белков с ядерной ДНК клеток.

Комплекс белков с ядерной ДНК клеток называют хроматином.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – биологический полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей, соединенных друг с другом. Мономеры, составляющие каждую из цепей ДНК, представляют собой сложные органические соединения, включающие одно из четырех азотистых оснований: аденин (А) или тимин (Т), цитозин (Ц) или гуанин (Г), пятиатомный сахар пентозу – дезоксирибозу, по имени которой получила название и сама ДНК, а также остаток фосфорной кислоты. Эти соединения носят название нуклеотидов.

Эти цепи соединяются друг с другом водородными связями между их азотистыми основаниями по принципу комплементарности. Аденин одной цепи соединяется двумя водородными связями с тимином другой цепи, а между гуанином и цитозином разных цепей образуются три водородные связи. Такое соединение азотистых оснований обеспечивает прочную связь двух цепей и сохранение равного расстояния между ними на всем протяжении.

Другой важной особенностью объединения двух полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК является их антипараллельность: 5"-конец одной цепи соединяется с 3"-концом другой, и наоборот.

Молекула ДНК, сост. Из двух цепей, образует спираль, закрученную вокруг собственной оси. Диаметр спирали составляет 2 нм, длина шага - 3, 4 нм. В каждый виток входит 10 пар нуклеотидов.

* Чаще всего двойные спирали являются правозакрученными. Большинство молекул ДНК в растворе находится в правозакрученной - В-форме (В-ДНК). Однако встречаются также левозакрученные формы (Z-ДНК). Какое количество этой ДНК присутствует в клетках и каково ее биологическое значение, пока не установлено.

* Таким образом, в структурной организации молекулы ДНК можно выделить первичную структуру - полинуклеотидную цепь, вторичную структуру - две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями, и третичную структуру - трехмерную спираль с приведенными выше пространственными характеристиками.

9. Типы рнк в клетке. Функции различных рнк

Роль посредника, функцией которого является перевод наследственной информации, сохраняемой в ДНК, в рабочую форму, играют рибонуклеиновые кислоты - РНК.

Известны двух – и одно цепочечные молекулы РНК. Двухцепочечные РНК служат для хранения и воспроизведения наследственной информации у некоторых вирусов, т.е. у них выполняется функции хромосом. Одноцепочечные РНК осуществляют перенос информации о последовательности аминокислот в белках от хромосомы к месту их синтеза и участвуют в процессах синтеза.

В отличие от молекул ДНК рибонуклеиновые кислоты представлены одной полинуклеотидной цепью, которая состоит из четырех разновидностей нуклеотидов, содержащих сахар, рибозу, фосфат и одно из четырех азотистых оснований - аденин, гуанин, урацил или цитозин. РНК синтезируется на молекулах ДНК при помощи ферментов РНК-полимераз с соблюдением принципа комплементарности и антипараллельности, причем аденину ДНК в РНК комплементарен урацил. Все многообразие РНК, действующих в клетке, можно разделить на три основных вида: мРНК, тРНК, рРНК.

Матричная, или информационная, РНК (мРНК, или иРНК). Транскрипция. Для того чтобы синтезировать белки с заданными свойствами, к месту их построения поступает «инструкция» о порядке включения аминокислот в пептидную цепь. Эта инструкция заключена в нуклеотидной последовательности матричных, или информационных РНК (мРНК, иРНК), синтезируемых на соответствующих участках ДНК. Процесс синтеза мРНК называют транскрипцией.

Синтез мРНК начинается с обнаружения РНК-полимеразой особого участка в молекуле ДНК, который указывает место начала транскрипции - промотора. После присоединения к промотору РНК-полимераза раскручивает прилежащий виток спирали ДНК. Две цепи ДНК в этом месте расходятся, и на одной из них фермент осуществляет синтез мРНК. Сборка рибонуклеотидов в цепь происходит с соблюдением их комплементарности нуклеотидам ДНК, а также антипараллельно по отношению к матричной цепи ДНК. В связи с тем, что РНК-полимераза способна собирать полинуклеотид лишь от 5"-конца к 3"-концу, матрицей для транскрипции может служить только одна из двух цепей ДНК, а именно та, которая обращена к ферменту своим 3"-концом (3" → 5"). Такуюцепь называют кодогенной

тРНК - РНК, функцией которой является транспортировка аминокислот к месту синтеза белка. тРНК также принимают непосредственное участие в наращивании полипептидной цепи, присоединяясь - будучи в комплексе с аминокислотой - к кодону мРНК и обеспечивая необходимую для образования новой пептидной связи конформацию комплекса.

Для каждой аминокислоты существует своя тРНК.тРНК является одноцепочечной РНК, однако в функциональной форме имеет конформацию «листа клевера» или «кловерлиф» (англ. cloverleaf). Аминокислота ковалентно присоединяется к 3"-концу молекулы с помощью специфичного для каждого типа тРНК фермента аминоацил-тРНК-синтетазы. На участке C находится антикодон, соответствующий аминокислоте.

(рРНК) - несколько молекул РНК, составляющих основу рибосомы. Основной функцией рРНК является осуществление процесса трансляции - считывания информации с мРНК при помощи адапторных молекул тРНК и катализ образования пептидных связей между присоединёнными к тРНК аминокислотами.

Рибосомные РНК являются не только структурным компонентом рибосом, но и обеспечивают связывание их с определенной нуклеотидной последовательностью мРНК. Этим устанавливаются начало и рамка считывания при образовании пептидной цепи. Кроме того, они обеспечивают взаимодействие рибосомы и тРНК. Многочисленные белки, входящие в состав рибосом наряду с рРНК, выполняют как структурную, так и ферментативную роль.