1 struktura a funkce nukleových kyselin. Struktura a funkce nukleových kyselin

Nukleové kyseliny hrají v buňce důležitou roli, zajišťují její životně důležitou aktivitu a reprodukci. Tyto vlastnosti umožňují označit je za druhé nejdůležitější biologické molekuly po proteinech. Mnoho výzkumníků dokonce staví DNA a RNA na první místo, což naznačuje jejich hlavní význam pro vývoj života. Jsou však předurčeny zaujmout druhé místo po bílkovinách, protože základem života je právě molekula polypeptidu.

Nukleové kyseliny jsou jinou úrovní života, mnohem složitější a zajímavější díky tomu, že každý typ molekul vykonává specifickou práci. Toto by mělo být prozkoumáno podrobněji.

Koncept nukleových kyselin

Všechny nukleové kyseliny a RNA) jsou biologické heterogenní polymery, které se liší počtem řetězců. DNA je dvouvláknová polymerní molekula, která obsahuje genetickou informaci eukaryotických organismů. Kruhové molekuly DNA mohou obsahovat dědičnou informaci z některých virů. Jedná se o HIV a adenoviry. Existují také 2 speciální typy DNA: mitochondriální a plastidová (nachází se v chloroplastech).

RNA má mnohem více typů, což je způsobeno různými funkcemi nukleové kyseliny. Existuje jaderná RNA, která obsahuje dědičnou informaci bakterií a většiny virů, matrix (neboli messenger RNA), ribozomální a transportní. Všechny se podílejí buď na ukládání nebo genové expresi. Je však třeba podrobněji porozumět tomu, jaké funkce plní nukleové kyseliny v buňce.

Dvouřetězcová molekula DNA

Tento typ DNA je dokonalým systémem pro ukládání dědičných informací. Dvouřetězcová molekula DNA je jedna molekula skládající se z heterogenních monomerů. Jejich úkolem je vytvářet vodíkové vazby mezi nukleotidy jiného řetězce. Skládá se z dusíkaté báze, ortofosfátového zbytku a pětiuhlíkového monosacharidu deoxyribózy. V závislosti na tom, jaký typ dusíkaté báze je základem konkrétního monomeru DNA, má svůj vlastní název. Typy DNA monomerů:

• deoxyribóza s orthofosfátovým zbytkem a adenylovou dusíkatou bází;
• thymidinová dusíkatá báze s deoxyribózou a orthofosfátovým zbytkem;
• cytosinová dusíkatá báze, deoxyribóza a orthofosfátový zbytek;
• ortofosfát s deoxyribózou a guaninovým dusíkovým zbytkem.

Pro zjednodušení diagramu je adenylový zbytek označen jako „A“, guaninový zbytek je „G“, thymidinový zbytek je „T“ a cytosinový zbytek je „C“. Je důležité, aby se genetická informace přenesla z molekuly dvouvláknové DNA do messenger RNA. Má jen málo rozdílů: zde uhlohydrátový zbytek není deoxyribóza, ale ribóza, a místo thymidylové dusíkaté báze v RNA je uracil.

Struktura a funkce DNA

DNA je postavena na principu biologického polymeru, ve kterém je předem vytvořen jeden řetězec podle dané šablony v závislosti na genetické informaci rodičovské buňky. Nukleodidy DNA jsou zde spojeny kovalentními vazbami. Poté se k nukleotidům jednořetězcové molekuly přidají další nukleotidy. Jestliže v jednovláknové molekule je začátek reprezentován nukleotidem adeninem, pak ve druhém (komplementárním) řetězci bude odpovídat thyminu. Cytosin je komplementární s guaninem. Tímto způsobem se vytvoří molekula dvouvláknové DNA. Nachází se v jádře a uchovává dědičnou informaci, která je kódována kodony – triplety nukleotidů. Funkce dvouvláknové DNA:

• uchování dědičné informace přijaté z rodičovské buňky;
• genová exprese;
• překážkou mutačních změn.

Význam proteinů a nukleových kyselin

Předpokládá se, že funkce proteinů a nukleových kyselin jsou společné, jmenovitě: podílejí se na genové expresi. Samotná nukleová kyselina je jejich úložištěm a protein je konečným výsledkem čtení informací z genu. Samotný gen je úsek jedné integrální molekuly DNA zabalený v chromozomu, ve kterém jsou pomocí nukleotidů zaznamenány informace o struktuře konkrétního proteinu. Jeden gen kóduje aminokyselinovou sekvenci pouze jednoho proteinu. Je to protein, který bude implementovat dědičnou informaci.

Klasifikace druhů RNA

Funkce nukleových kyselin v buňce jsou velmi rozmanité. A nejvíce jich je v případě RNA. Tato polyfunkčnost je však stále relativní, protože za jednu z funkcí odpovídá jeden typ RNA. Existují následující typy RNA:

• jaderná RNA virů a bakterií;
• messenger (messenger) RNA;
• ribozomální RNA;
• messenger RNA plazmidů (chloroplasty);
• ribozomální RNA chloroplastů;
• mitochondriální ribozomální RNA;
• mitochondriální messenger RNA;
• přenos RNA.

Funkce RNA

Tato klasifikace obsahuje několik typů RNA, které se dělí v závislosti na jejich umístění. Z funkčního hlediska by však měly být rozděleny pouze do 4 typů: jaderné, informační, ribozomální a transportní. Funkcí ribozomální RNA je syntéza proteinů založená na nukleotidové sekvenci messenger RNA. V tomto případě jsou aminokyseliny „přeneseny“ do ribozomální RNA, „navlečeny“ na messenger RNA, prostřednictvím transportní ribonukleové kyseliny. Takto dochází k syntéze v jakémkoli organismu, který má ribozomy. Struktura a funkce nukleových kyselin zajišťují jak zachování genetického materiálu, tak vytvoření procesů syntézy bílkovin.

Mitochondriální nukleové kyseliny

Zatímco o funkcích, které v buňce vykonávají nukleové kyseliny umístěné v jádře nebo cytoplazmě, je známo téměř vše, o mitochondriální a plastidové DNA je stále málo informací. Byly zde také nalezeny specifické ribozomální i messengerové RNA. Nukleové kyseliny DNA a RNA jsou zde přítomny i v těch nejautotrofnějších organismech.

Možná, že nukleová kyselina vstoupila do buňky prostřednictvím symbiogeneze. Tato cesta je vědci považována za nejpravděpodobnější kvůli nedostatku alternativních vysvětlení. Proces je uvažován následovně: symbiotická autotrofní bakterie vstoupila do buňky v určitém období. Výsledkem je, že tato žije uvnitř buňky a dodává jí energii, ale postupně degraduje.

Na počáteční fáze evolučním vývojem je pravděpodobné, že symbiontová bezjaderná bakterie řídila mutační procesy v jádře hostitelské buňky. To umožnilo zabudování genů odpovědných za ukládání informací o struktuře mitochondriálních proteinů do nukleové kyseliny hostitelské buňky. Zatím však není mnoho informací o tom, jaké funkce v buňce plní nukleové kyseliny mitochondriálního původu.

Pravděpodobně jsou některé proteiny syntetizovány v mitochondriích, jejichž struktura ještě není kódována jadernou DNA nebo RNA hostitele. Je také pravděpodobné, že buňka potřebuje svůj vlastní mechanismus syntézy proteinů pouze proto, že mnoho proteinů syntetizovaných v cytoplazmě nemůže projít dvojitou membránou mitochondrií. Tyto organely zároveň produkují energii, a proto, pokud existuje kanál nebo specifický transportér pro protein, bude to stačit pro pohyb molekul a proti koncentračnímu gradientu.

Plazmidová DNA a RNA

Plastidy (chloroplasty) mají také svou vlastní DNA, která je pravděpodobně zodpovědná za realizaci podobných funkcí, jako je tomu u mitochondriálních nukleových kyselin. Má také své vlastní ribozomy, matrici a plastidy, navíc jsou plastidy, soudě podle počtu membrán, nikoli podle počtu biochemických reakcí, složitější. Stává se, že mnoho plastidů má 4 vrstvy membrán, což vědci vysvětlují různými způsoby.

Jedna věc je jasná: funkce nukleových kyselin v buňkách ještě nejsou plně prozkoumány. Není známo, jaký význam mají mitochondriální protein syntetizující systém a podobný chloroplastický systém. Není také zcela jasné, proč buňky potřebují mitochondriální nukleové kyseliny, pokud jsou proteiny (ne všechny, samozřejmě) již zakódovány v jaderné DNA (nebo RNA, v závislosti na organismu). I když nás některá fakta nutí souhlasit s tím, že protein syntetizující systém mitochondrií a chloroplastů je zodpovědný za stejné funkce jako jaderná DNA a cytoplazmatická RNA. Ukládají dědičnou informaci, reprodukují ji a předávají dceřiným buňkám.

souhrn

Je důležité pochopit, jaké funkce plní v buňce nukleové kyseliny jaderného, ​​plastidového a mitochondriálního původu. To otevírá vědě mnoho vyhlídek, protože symbiontový mechanismus, podle kterého se objevilo mnoho autotrofních organismů, lze dnes reprodukovat. To umožní získat nový typ buněk, možná i lidskou. I když je příliš brzy mluvit o vyhlídkách na zavedení multimembránových plastidových organel do buněk.

Mnohem důležitější je pochopit, že v buňce jsou nukleové kyseliny zodpovědné za téměř všechny procesy. Tím je také uchování informací o stavbě buňky. Navíc je mnohem důležitější, aby nukleové kyseliny vykonávaly funkci přenosu dědičného materiálu z rodičovských buněk do dceřiných buněk. To zaručuje další vývoj evolučních procesů.

Obsah článku

NUKLEOVÉ KYSELINY– biologické polymerní molekuly, které uchovávají veškeré informace o jednotlivém živém organismu, určující jeho růst a vývoj, jakož i dědičné vlastnosti přenášené na další generaci. Nukleové kyseliny se nacházejí v buněčných jádrech všech rostlinných a živočišných organismů, což určilo jejich název (lat. . jádro – jádro).

Složení polymerního řetězce nukleových kyselin.

Polymerní řetězec nukleových kyselin je sestaven z fragmentů kyseliny fosforečné H3PO3 a fragmentů heterocyklických molekul, které jsou deriváty furanu. Existují pouze dva typy nukleových kyselin, z nichž každý je postaven na základě jednoho ze dvou typů takových heterocyklů – ribózy nebo deoxyribózy (obr. 1).

Rýže. 1. STRUKTURA RIBÓZY A DEOXYRIBÓZY.

Název ribóza (z lat. . Rib - žebro, kancelářská sponka) má koncovku - ose, což naznačuje, že patří do třídy cukrů (například glukóza, fruktóza). Druhá sloučenina nemá OH skupinu (hydroxyskupinu), která je u ribózy označena červeně. V tomto ohledu se trojitá sloučenina nazývá deoxyribóza, tj. ribóza postrádající oxyskupinu.

Polymerní řetězec, vybudovaný z fragmentů ribózy a kyseliny fosforečné, je základem jedné z nukleových kyselin – ribonukleové kyseliny (RNA). Výraz „kyselina“ v názvu této sloučeniny se používá proto, že jedna z kyselých skupin OH kyseliny fosforečné zůstává nesubstituovaná, což dává celé sloučenině mírně kyselý charakter. Pokud se na tvorbě polymerního řetězce místo ribózy podílí deoxyribóza, pak vzniká kyselina deoxyribonukleová, pro kterou je běžně akceptována známá zkratka DNA.

struktura DNA.

Molekula DNA slouží jako výchozí bod v procesu růstu a vývoje organismu. Na Obr. Obrázek 2 ukazuje, jak jsou dva typy alternujících výchozích sloučenin kombinovány do polymerního řetězce; neukazuje metodu syntézy, ale Kruhový diagram sestavení molekuly DNA.

Ve finální verzi obsahuje molekula polymerní DNA v postranním rámci heterocykly obsahující dusík. Na tvorbě DNA se podílejí čtyři typy takových sloučenin, dva z nich jsou šestičlenné cykly a dva kondenzované cykly, kde šestičlenný kruh fúzuje s pětičlenným (obr. 3).

Rýže. 3. STRUKTURA HETEROCYKLŮ OBSAHUJÍCÍCH DUSÍK, které jsou součástí DNA

Ve druhé fázi sestavování se výše uvedené heterocyklické sloučeniny obsahující dusík přidají k volným OH skupinám deoxyribózy, čímž se vytvoří boční přívěsky na polymerním řetězci (obr. 4).

Molekuly adeninu, thyminu, guaninu a cytosinu připojené k polymernímu řetězci jsou označeny prvními písmeny názvů původních sloučenin, tj. A, T, G A C.

Samotný polymerní řetězec DNA má určitý směr – při mentálním pohybu po molekule v dopředném a zpětném směru se cestou v různých sekvencích setkávají stejné skupiny, které tvoří řetězec. Při pohybu v jednom směru od jednoho atomu fosforu k druhému je nejprve podél cesty skupina CH2 a poté dvě skupiny CH (atomy kyslíku lze ignorovat); při pohybu v opačném směru bude sekvence těchto skupin obráceně (obr. 5) .

Rýže. 5. ORIENTACE POLYMERNÍHO ŘETĚZCE DNA. Při popisu pořadí, ve kterém se připojené heterocykly střídají, je obvyklé používat přímý směr, to znamená od skupiny CH2 ke skupinám CH.

Samotný koncept „směru vlákna“ pomáhá pochopit, jak jsou uspořádány dva řetězce DNA, když jsou kombinovány, a také přímo souvisí se syntézou proteinů.

V další fázi se spojí dvě molekuly DNA, které jsou umístěny tak, že začátek a konec řetězců směřují opačným směrem. V tomto případě jsou heterocykly dvou řetězců proti sobě a jsou umístěny nějakým optimálním způsobem, což znamená, že vodíkové vazby vznikají mezi dvojicemi skupin C=O a NH2, jakož i mezi є N a NH=, které jsou součástí z heterocyklů ( cm. VODÍKOVÁ VAZBA). Na Obr. Obrázek 6 ukazuje, jak jsou tyto dva řetězce umístěny vůči sobě navzájem a jak mezi heterocykly vznikají vodíkové vazby. Nejdůležitějším detailem je, že páry spojené vodíkovými vazbami jsou přesně definovány: fragment A vždy interaguje s T a fragment G– vždy s C. Striktně definovaná geometrie těchto skupin vede k tomu, že tyto páry do sebe extrémně přesně pasují (jako klíč k zámku). NA spojeny dvěma vodíkovými vazbami a párem G-C- tři připojení.

Vodíkové vazby jsou znatelně slabší než běžné valenční vazby, ale vzhledem k jejich velkému počtu podél celé molekuly polymeru se spojení obou řetězců stává poměrně pevným. Molekula DNA obsahuje desítky tisíc skupin A, T, G A C a pořadí jejich střídání v rámci jedné molekuly polymeru může být různé, například v určité části řetězce může sekvence vypadat takto: - A-A-T-G-C-G-A-T-. Vzhledem k tomu, že interagující skupiny jsou přísně definovány, protilehlá část druhé molekuly polymeru bude mít nutně sekvenci - T-T-A-C-G-C-T-A-. Když tedy známe pořadí uspořádání heterocyklů v jednom řetězci, lze naznačit jejich umístění v jiném řetězci. Z této korespondence vyplývá, že celkový počet skupin ve dvojité molekule DNA A rovný počtu skupin T a počet skupin G- Množství C(Pravidlo E. Chargaffa).

Dvě molekuly DNA spojené vodíkovými můstky jsou znázorněny na Obr. 5 ve formě dvou naplocho ležících řetězů, ale ve skutečnosti jsou uspořádány jinak. Skutečný směr v prostoru všech vazeb, určený vazebnými úhly a smršťujícími se vodíkovými interakcemi, vede k určitému ohybu polymerních řetězců a rotaci heterocyklické roviny, což je přibližně znázorněno na prvním fragmentu videa na Obr. 7 pomocí strukturního vzorce. Celou prostorovou strukturu lze mnohem přesněji zprostředkovat pouze pomocí trojrozměrných modelů (obr. 7, druhý fragment videa). V tomto případě vzniká složitý obrázek, proto je zvykem používat zjednodušené obrázky, které se používají zejména při zobrazování struktury nukleových kyselin popř. proteiny. V případě nukleových kyselin jsou polymerní řetězce znázorněny ve formě plochých proužků a heterocyklických skupin A, T, G A C– ve formě postranních tyčí nebo jednoduchých valenčních zdvihů majících různé barvy, nebo obsahující na konci označení písmen odpovídající heterocykly (obr. 7, třetí fragment videa).

Při rotaci celé struktury kolem svislé osy (obr. 8) je dobře viditelný šroubovitý tvar dvou molekul polymeru, jakoby navinutý na povrchu válce, jedná se o známou dvoušroubovici DNA.

U takto zjednodušeného obrázku nezmizí hlavní informace – pořadí střídání seskupení A, T, G A C, který určuje individualitu každého živého organismu, jsou všechny informace zaznamenány ve čtyřpísmenném kódu.

Struktura polymerního řetězce a povinná přítomnost čtyř typů heterocyklů jsou stejné pro všechny zástupce živého světa. Všechna zvířata a vyšší rostliny mají počet párů A – T vždy o něco více než pár G – C. Rozdíl mezi DNA savců a DNA rostlin spočívá v tom, že savci mají pár A – T po celé délce řetězce se vyskytuje o něco častěji (přibližně 1,2krát) než pár G – C. U rostlin je preference prvního páru mnohem výraznější (cca 1,6x).

DNA je jednou z největších dnes známých molekul polymeru, u některých organismů se její polymerní řetězec skládá ze stovek milionů jednotek. Délka takové molekuly dosahuje několika centimetrů, což je pro molekulární objekty velmi velká hodnota. Protože Vzhledem k tomu, že průřez molekuly je pouze 2 nm (1 nm = 10–9 m), lze její proporce přirovnat k železniční koleji dlouhé desítky kilometrů.

Chemické vlastnosti DNA.

DNA tvoří ve vodě viskózní roztoky, při zahřátí na 60 °C nebo při působení alkálií se dvoušroubovice rozpadne na dvousložkové řetězce, které se po návratu do původních podmínek mohou opět spojit. Za mírně kyselých podmínek dochází k hydrolýze, v jejímž důsledku jsou fragmenty –P-O-CH 2 částečně rozloženy na fragmenty –P-OH a HO-CH 2, v tomto pořadí, což vede ke vzniku monomerních, dimerních (dvojitých ) nebo trimerní (trojité) kyseliny, což jsou články, ze kterých byl sestaven řetězec DNA (obr. 9).

Rýže. 9. Fragmenty ZÍSKANÉ ŠTĚPENÍM DNA.

Hlubší hydrolýza umožňuje oddělit deoxyribosové sekce od kyseliny fosforečné a také skupiny G z deoxyribózy, tj. podrobněji rozebrat molekulu DNA na její složky. Působením silných kyselin (kromě rozkladu fragmentů –P(O)-O-CH 2 -) dochází i k odštěpování skupin A A G. Působení dalších činidel (například hydrazinu) umožňuje oddělit skupiny T A C. Jemnější štěpení DNA na složky se provádí pomocí biologického přípravku - deoxyribonukleázy, izolované ze slinivky břišní (konc. aza vždy označuje, že látka je katalyzátor biologického původu – enzym). Počáteční část názvu je deoxyribonukleáza- označuje, kterou sloučeninu tento enzym rozkládá. Všechny tyto metody štěpení DNA jsou zaměřeny především na podrobnou analýzu jejího složení.

Nejvíc důležitá informace, obsažený v molekule DNA, je řád střídání skupin A, T, G A C získává se pomocí speciálně vyvinutých technik. Za tímto účelem byla vytvořena široká škála enzymů, které nacházejí přesně definovanou sekvenci v molekule DNA, např. C-T-G-C-A-G(stejně jako odpovídající sekvence na opačném řetězci G-A-C-G-T-C) a izolujte jej od řetězu. Tuto vlastnost má enzym Pst I (obchodní název, je vytvořen z názvu tohoto mikroorganismu P rovidencia Svatý uartii, ze kterého se tento enzym získává). Při použití jiného enzymu Pal I je možné najít sekvenci G-G-C-C. Dále jsou porovnány výsledky získané působením široké škály různých enzymů podle předem vyvinutého schématu, díky čemuž je možné určit sekvenci takových skupin na určitém úseku DNA. Nyní se tyto techniky dostaly do stádia širokého použití; používají se v celé řadě oblastí daleko od vědeckého biochemického výzkumu, například při identifikaci pozůstatků živých organismů nebo stanovení stupně vzájemného vztahu.

Struktura RNA

v mnohém připomíná DNA, rozdíl je v tom, že v hlavním řetězci se fragmenty kyseliny fosforečné střídají s ribózou, nikoli s deoxyribózou (obr.). Druhý rozdíl je v tom, že uracilový heterocyklus ( U) místo thyminu ( T), jiné heterocykly A, G A C stejně jako u DNA. Uracil se liší od thyminu v nepřítomnosti methylové skupiny připojené ke kruhu, na obr. 10 je tato methylová skupina zvýrazněna červeně.

Rýže. 10. ROZDÍL TYMÍNU OD URACILU– nepřítomnost methylové skupiny ve druhé sloučenině, zvýrazněná červeně v thyminu.

Fragment molekuly RNA je znázorněn na Obr. 11, pořadí seskupení A, U, G A C a jejich kvantitativní poměr může být odlišný.

Obr. 11 Fragment molekuly RNA. Hlavním rozdílem od DNA je přítomnost OH skupin v ribóze (červená) a fragmentu uracilu (modrá).

Polymerní řetězec RNA je přibližně desetkrát kratší než řetězec DNA. Dalším rozdílem je, že molekuly RNA nejsou spojeny do dvojitých helixů sestávajících ze dvou molekul, ale obvykle existují jako jedna molekula, která v některých oblastech může sama se sebou tvořit dvouvláknové helikální fragmenty, které se střídají s lineárními sekcemi. V helikálních oblastech je interakce párů pozorována stejně přísně jako v DNA. Páry spojené vodíkovými můstky a tvořící šroubovici ( A-U A G-C), se objevují v těch oblastech, kde se uspořádání skupin ukazuje jako příznivé pro takovou interakci (obr. 12).

U naprosté většiny živých organismů je kvantitativní obsah párů A-U více než G-C, u savců 1,5–1,6krát, u rostlin – 1,2krát. Existuje několik typů RNA, které mají v živém organismu různé role.

Chemické vlastnosti RNA

připomínají vlastnosti DNA, nicméně přítomnost dalších OH skupin v ribóze a nižší (ve srovnání s DNA) obsah stabilizovaných helikálních oblastí činí molekuly RNA chemicky zranitelnějšími. Působením kyselin nebo zásad se hlavní fragmenty polymerního řetězce P(O)-O-CH2 snadno hydrolyzují, skupiny A, U, G A C snadněji odlomit. Pokud je nutné získat monomerní fragmenty (jako ty na obr. 9), při zachování chemicky vázaných heterocyklů, používají se jemné enzymy zvané ribonukleázy.

Účast DNA a RNA na syntéze proteinů

– jedna z hlavních funkcí nukleových kyselin. Bílkoviny jsou nejdůležitější složkou každého živého organismu. Svaly, vnitřní orgány, kostní tkáň, kůže a vlasy savců se skládají z proteiny. Jedná se o polymerní sloučeniny, které jsou v živém organismu sestaveny z různých aminokyselin. V takovém sestavení hrají řídící roli nukleové kyseliny, proces probíhá ve dvou fázích a v každé z nich je určující vzájemná orientace dusíkatých heterocyklů DNA a RNA.

Hlavním úkolem DNA je uchovávat zaznamenané informace a poskytovat je v okamžiku, kdy začíná syntéza bílkovin. V tomto ohledu je pochopitelná zvýšená chemická stabilita DNA ve srovnání s RNA. Příroda se postarala o to, aby základní informace byly co nejvíce nedotknutelné.

V první fázi se část dvoušroubovice otevírá, uvolněné větve se rozbíhají a ve skupinách A, T, G A C, který se ukázal být dostupný, začíná syntéza RNA, nazývaná messenger RNA, protože jako kopie z matrice přesně reprodukuje informace zaznamenané na odhaleném úseku DNA. Naproti skupině A, patřící k molekule DNA, existuje fragment budoucí messenger RNA obsahující skupinu U, všechny ostatní skupiny jsou umístěny proti sobě přesně v souladu s tím, jak k tomu dochází při vytváření dvoušroubovice DNA (obr. 13).

Podle tohoto schématu se vytvoří molekula polymeru messenger RNA obsahující několik tisíc monomerních jednotek.

Ve druhé fázi se templátová DNA přesune z buněčného jádra do perinukleárního prostoru - cytoplazmy. Vzniklá messenger RNA je doprovázena tzv. transferovými RNA, které nesou (transportují) různé aminokyseliny. Každá transferová RNA, nabitá specifickou aminokyselinou, se blíží k přesně určené oblasti messenger RNA; požadované umístění je detekováno pomocí stejného principu skupinové vzájemné korespondence A

Důležitým detailem je, že k dočasné interakci mezi messengerem a přenosovou RNA dochází pouze ve třech skupinách, například triáda C-C-U matricová kyselina, může být vhodný pouze odpovídající trojitý G-G-A transfer RNA, která s sebou jistě nese aminokyselinu glycin (obr. 14). Stejně tak pro triádu G-A-U jen soubor se může přiblížit C-U-A přenášející pouze aminokyselinu leucin. Sekvence skupin v messenger RNA tedy ukazuje, v jakém pořadí by měly být aminokyseliny kombinovány. Systém navíc obsahuje další regulační pravidla v zakódované podobě, některé sekvence ze tří skupin messenger RNA naznačují, že by se syntéza proteinů měla v tomto bodě zastavit, tzn. molekula dosáhla požadované délky.

Na Obr. 14 syntéza proteinů probíhá za účasti ještě jednoho - třetího typu RNA kyselin, které jsou součástí ribozomů, a proto se nazývají ribozomální. Ribozom, který je souborem určitých ribozomálních RNA proteinů, zajišťuje interakci messengeru a transferové RNA, přičemž hraje roli dopravního pásu, který pohybuje messengerovou RNA jeden krok poté, co došlo ke spojení dvou aminokyselin.

Hlavní význam dvoustupňového schématu znázorněného na Obr. 13 a 14, je to, že polymerní řetězec molekuly proteinu je sestaven z různých aminokyselin v zamýšleném pořadí a přesně podle plánu, který byl napsán v zakódované formě na určité části DNA. DNA tedy představuje výchozí bod celého tohoto naprogramovaného procesu.

V procesu života jsou proteiny neustále spotřebovávány, a proto jsou pravidelně reprodukovány podle popsaného schématu, celá syntéza molekuly proteinu sestávající ze stovek aminokyselin probíhá v živém organismu přibližně do jedné minuty.

První studie nukleových kyselin byly provedeny ve 2. polovině 19. století, pochopení, že všechny informace o živém organismu jsou zakódovány v DNA, přišlo v polovině 20. století, struktura dvoušroubovice DNA byla stanovena v r. 1953 J. Watsonem a F. Crickem na základě datové rentgenové difrakční analýzy, která je uznávána jako největší vědecký úspěch 20. století. V polovině 70. let 20. stol. Objevily se metody pro dešifrování detailní struktury nukleových kyselin a poté byly vyvinuty metody pro jejich cílenou syntézu. Dnes nejsou jasné všechny procesy probíhající v živých organismech zahrnujících nukleové kyseliny a dnes jde o jednu z nejintenzivněji se rozvíjejících oblastí vědy.

Michail Levický

1. Nukleové kyseliny, jejich struktura a funkce

2. Hlavní fáze biosyntézy bílkovin. Genetický kód, jeho hlavní vlastnosti

3. Regulace genové exprese

1. Nukleové kyseliny, jejich struktura a funkce

Nukleové kyseliny jsou lineární, nerozvětvené heteropolymery, jejichž monomery jsou nukleotidy spojené fosfodiesterovými vazbami.

Nukleotidy - jedná se o organické látky, jejichž molekuly se skládají z pentózového zbytku (ribózy nebo deoxyribózy), na který je kovalentně navázán zbytek kyseliny fosforečné a dusíkaté báze. Dusíkaté báze v nukleotidech se dělí do dvou skupin: purinové (adenin a guanin) a pyrimidinové (cytosin, thymin a uracil). Deoxyribonukleotidy zahrnují deoxyribózu a jednu z dusíkatých bází: adenin (A), guanin (G), thymin (T), cytosin (C). Ribonukleotidy zahrnují ribózu a jednu z dusíkatých bází: adenin (A), guanin (G), uracil (U), cytosin (C).

V některých případech se v buňkách nacházejí různé deriváty uvedených dusíkatých bází - minoritní báze, které jsou součástí minoritních nukleotidů.

Volné nukleotidy a jim podobné látky hrají důležitou roli v metabolismu. Například NAD (nikotinamid adenindinukleotid) a NADP (nikotinamid adenindinukleotid fosfát) slouží jako nosiče elektronů a protonů.

Volné nukleotidy jsou schopny přidat 1...2 další skupiny fosforu, čímž vznikají vysokoenergetické sloučeniny. Univerzálním zdrojem energie v buňce je ATP – kyselina adenosintrifosforečná, sestávající z adeninu, ribózy a tří zbytků kyseliny fosforečné (pyrofosforečné). Hydrolýza jedné koncové pyrofosfátové vazby uvolní asi 30,6 kJ/mol (nebo 8,4 kcal/mol) volné energie, kterou může buňka využít. Taková pyrofosfátová vazba se nazývá makroergická (vysokoenergetická).

Kromě ATP existují další vysokoenergetické sloučeniny na bázi nukleotidů: GTP (obsahuje guanin; podílí se na biosyntéze bílkovin a glukózy), UTP (obsahuje uracil; podílí se na syntéze polysacharidů).

Nukleotidy jsou schopné tvořit cyklické formy, například cAMP, cCMP, cGMP. Cyklické nukleotidy působí jako regulátory různých fyziologických procesů.

Nukleové kyseliny

Existují dva typy nukleových kyselin: DNA (deoxyribonukleová kyselina) a RNA (ribonukleová kyselina). Nukleové kyseliny zajišťují ukládání, reprodukci a implementaci genetické (dědičné) informace. Tato informace se odráží (kóduje) ve formě nukleotidových sekvencí. Zejména nukleotidová sekvence odráží primární strukturu proteinů (viz níže). Shoda mezi aminokyselinami a nukleotidovými sekvencemi, které je kódují, se nazývá genetický kód. Jednotkou genetického kódu DNA a RNA je triplet – sekvence tří nukleotidů.

Nukleové kyseliny - je to chemické účinné látky. S proteiny tvoří různé sloučeniny – nukleoproteiny, neboli nukleoproteiny.

Deoxyribonukleová kyselina (DNA) je nukleová kyselina, jejíž monomery jsou deoxyribonukleotidy. DNA je primárním nositelem dědičné informace. To znamená, že veškeré informace o struktuře, fungování a vývoji jednotlivých buněk i celého organismu jsou zaznamenávány ve formě nukleotidových sekvencí DNA.

Nukleové kyseliny objevil Miescher v roce 1868. Teprve v roce 1924 však Feulgen dokázal, že DNA je nezbytnou součástí chromozomů. V roce 1944 Avery, McLeod a McCarthy zjistili, že DNA hraje klíčovou roli při ukládání, přenosu a implementaci dědičných informací.

Existuje několik typů DNA: formy A, B, Z, T. Z nich se v buňkách obvykle nachází B-forma - dvojitá pravotočivá šroubovice, která se skládá ze dvou vláken (nebo řetězců) vzájemně spojených vodíkovými vazbami. Každý řetězec je reprezentován střídajícími se zbytky deoxyribózy a kyseliny fosforečné, s dusíkatou bází kovalentně připojenou k deoxyribóze. V tomto případě jsou dusíkaté báze dvou řetězců DNA nasměrovány k sobě a díky tvorbě vodíkových vazeb tvoří komplementární páry: A=T (dvě vodíkové vazby) a G≡C (tři vodíkové vazby). Nukleotidové sekvence těchto řetězců si proto jednoznačně odpovídají. Délka závitu dvojité šroubovice je 3,4 nm, vzdálenost mezi sousedními páry dusíkatých bází je 0,34 nm a průměr dvojité šroubovice je 1,8 nm.

Délka DNA se měří počtem nukleotidových párů (zkráceně bp). Délka jedné molekuly DNA se pohybuje od několika tisíc bp (zkráceně tbp) do několika milionů bp (mpp). Například u nejjednodušších virů je délka DNA přibližně 5 kb, u nejsložitějších virů - přes 100 kb, u E. coli ~ 3,8 mb, u kvasinek ~ 13,5 mb, u mouchy Drosophila ~ 105 mb, u lidí ~ 2900 MPN (velikosti DNA jsou uvedeny pro minimální sadu chromozomů - haploidní). Délku DNA lze také vyjádřit v konvenčních metrických jednotkách délky: celková délka molekuly DNA v E. coli je ~ 1,3 mm a délka molekuly DNA v prvním lidském chromozomu je ~ 16 cm. délka DNA v celém lidském genomu (ve 23 chromozomech) ~ 1 metr. V eukaryotických buňkách existuje DNA ve formě nukleoproteinových komplexů, které zahrnují histonové proteiny.

Replikace (samoduplikace) DNA - Jedná se o jeden z nejdůležitějších biologických procesů, které zajišťují reprodukci genetické informace. V důsledku replikace jedné molekuly DNA vznikají dvě nové molekuly, které jsou přesnou kopií původní molekuly – matrice. Každá nová molekula se skládá ze dvou řetězců – jednoho mateřského a jednoho sesterského. Tento mechanismus replikace DNA se nazývá semikonzervativní.

Reakce, ve kterých jedna heteropolymerní molekula slouží jako templát (forma) pro syntézu jiné heteropolymerní molekuly s komplementární strukturou, se nazývají reakce templátového typu. Pokud se během reakce vytvoří molekuly stejné látky, které slouží jako matrice, pak se reakce nazývá autokatalytická. Pokud se během reakce vytvoří na matrici jedné látky molekuly jiné látky, pak se taková reakce nazývá heterokatalytická. Replikace DNA (tj. syntéza DNA na templátu DNA) je tedy autokatalytická reakce syntézy templátu.

Mezi reakce templátového typu patří především replikace DNA (syntéza DNA na templátu DNA), transkripce DNA (syntéza RNA na templátu DNA) a translace RNA (syntéza proteinů na templátu RNA). Existují však i jiné reakce templátového typu, například syntéza RNA na templátu RNA a syntéza DNA na templátu RNA. Poslední dva typy reakcí jsou pozorovány, když jsou buňky infikovány určitými viry. Syntéza DNA na templátu RNA (reverzní transkripce) je široce používána v genetickém inženýrství.

Všechny maticové procesy se skládají ze tří fází: iniciace (začátek), elongace (pokračování) a ukončení (konec).

replikace DNA - Jedná se o složitý proces, kterého se účastní několik desítek enzymů. Mezi nejvýznamnější z nich patří DNA polymerázy (několik typů), primázy, topoizomerázy, ligázy a další. hlavní problém během replikace DNA je to, že v různých řetězcích jedné molekuly jsou zbytky kyseliny fosforečné směrovány různými směry, ale prodloužení řetězce může nastat pouze od konce, který končí OH skupinou. Proto v replikované oblasti, která se nazývá replikační vidlice, proces replikace probíhá v různých řetězcích odlišně. Na jednom z řetězců, nazývaném vedoucí řetězec, probíhá kontinuální syntéza DNA na templátu DNA. Na druhém řetězci, který se nazývá zaostávající řetězec, nejprve dojde k navázání primeru, specifického fragmentu RNA. Primer slouží jako primer pro syntézu fragmentu DNA zvaného Okazakiho fragment. Následně je primer odstraněn a Okazakiho fragmenty jsou spojeny do jednoho řetězce enzymu DNA ligázy. Replikace DNA je doprovázena reparací — opravou chyb, které se při replikaci nevyhnutelně vyskytují. Existuje mnoho opravných mechanismů.

Ribonukleová kyselina (RNA) je nukleová kyselina, jejíž monomery jsou ribonukleotidy.

V rámci jedné molekuly RNA je několik oblastí, které jsou vzájemně komplementární. Mezi takovými komplementárními oblastmi se tvoří vodíkové vazby. Díky tomu se v jedné molekule RNA střídají dvouvláknové a jednovláknové struktury a celková konformace molekuly připomíná list jetele na řapíku.

Dusíkaté báze, které tvoří RNA, jsou schopny tvořit vodíkové vazby s komplementárními bázemi v DNA i RNA. V tomto případě dusíkaté báze tvoří páry A=U, A=T a G≡C. Díky tomu lze přenášet informace z DNA do RNA, z RNA do DNA a z RNA do proteinů.

V buňkách se nacházejí tři hlavní typy RNA, které plní různé funkce:

1. Informační nebo messenger RNA (mRNA nebo mRNA). Tvoří 5 % buněčné RNA. Slouží k přenosu genetické informace z DNA do ribozomů během biosyntézy bílkovin. V eukaryotických buňkách je mRNA (mRNA) stabilizována specifickými proteiny. To umožňuje, aby biosyntéza proteinu pokračovala, i když je jádro neaktivní.

2. Ribozomální nebo ribozomální RNA (rRNA). Tvoří 85 % buněčné RNA. Je součástí ribozomů, určuje tvar velké a malé ribozomální podjednotky a zajišťuje kontakt ribozomu s jinými typy RNA.

3. Přeneste RNA (tRNA). Tvoří 10 % buněčné RNA. Transportuje aminokyseliny na odpovídající místo mRNA v ribozomech. Každý typ tRNA transportuje specifickou aminokyselinu.

V buňkách jsou další typy RNA, které provádějí pomocné funkce.

Všechny typy RNA se tvoří jako výsledek reakcí syntézy templátu. Ve většině případů jeden z řetězců DNA slouží jako templát. Syntéza RNA na templátu DNA je tedy heterokatalytická reakce templátového typu. Tento proces se nazývá transkripce a je řízen určitými enzymy – RNA polymerázami (transkriptázami).

Nukleové kyseliny– přírodní vysokomolekulární biopolymery, které zajišťují ukládání a přenos dědičné (genetické) informace v živých organismech.

Makromolekuly nukleových kyselin s molekulovou hmotností od 10 000 Daltonů do několika milionů byly objeveny v roce 1869 švýcarským chemikem F. Miescherem v jádrech leukocytů, které jsou součástí hnisu, odtud název (nucleus - nucleus).

Nukleové kyseliny jsou polymery, jejichž monomery jsou nukleotidy . Každý nukleotid se skládá z dusíkaté báze, pentózového cukru a zbytku kyseliny fosforečné. Dlouhé molekuly se skládají z nukleotidů - polynukleotidy .

Dusíkatý

základna

Spojení mezi

fosfát a cukr

Rýže. Struktura nukleotidů.

Cukr, který je součástí nukleotidu, obsahuje pět atomů uhlíku, tj. představuje pentóza . Podle typu pentózy přítomné v nukleotidu se rozlišují dva typy nukleových kyselin – ribonukleové kyseliny (RNA), které obsahují ribóza a deoxyribonukleové kyseliny (DNA) obsahující deoxyribóza (C5H10O4).

Důvody, oba typy nukleových kyselin obsahují čtyři odlišné typy: dva z nich patří do třídy puriny a dva - do třídy pyrimidiny . Puriny zahrnují adenin (A) a guanin (D) a k počtu pyrimidinů – cytisin (C) a thymin (T) nebo uracil (U) (v DNA nebo RNA, v daném pořadí).

Nukleové kyseliny jsou kyseliny, protože jejich molekuly obsahují kyselina fosforečná.

Úloha nukleotidů v těle není omezena na to, že slouží jako stavební bloky nukleových kyselin; Některé důležité koenzymy jsou také nukleotidy. Příklady zahrnují adenosintrifosfát (ATP), nikotinamid adenindinukleotid (NAD), nikotinamid adenindinukleotid fosfát (NADP) a flavinadenindinukleotid (FAD).

Nukleové kyseliny

DNARNA

jaderná cytoplazmatická mRNA tRNA rRNA

V současné době je známo velké množství odrůd DNA a RNA, které se od sebe liší strukturou a významem v metabolismu.

Příklad: Bakterie E. coli obsahují asi 1000 různých nukleových kyselin a zvířata a rostliny jich mají ještě více.

Každý typ organismu obsahuje vlastní soubor těchto kyselin, charakteristických pouze pro něj. DNA je lokalizována především v chromozomech buněčného jádra (99 % veškeré buněčné DNA), dále v mitochondriích a chloroplastech. RNA je součástí jadérek, ribozomů mitochondrií, plastidů a cytoplazmy.

Molekula DNA je univerzálním nosičem genetické informace v buňkách. Právě díky struktuře a funkcím této molekuly se dědí vlastnosti – z rodičů na potomky, tzn. je realizována univerzální vlastnost živých věcí – dědičnost. Molekuly DNA jsou největší biopolymery.

Struktura DNA.

Strukturu molekul DNA rozluštili v roce 1953 J. Watson a F. Crick. Za tento objev dostali Nobelovu cenu.

Podle Watson-Crickovy modely DNA, molekula DNA se skládá ze dvou polynukleotidových řetězců stočených doprava kolem nich sekery , formování dvojitá spirála . Řetězy jsou uspořádány antiparalelně, tzn. k sobě navzájem. Dva polynukleotidové řetězce jsou spojeny do jediné molekuly DNA pomocí vodíkových vazeb, které vznikají mezi dusíkatou bází nukleotidů různých řetězců. V polynukleotidovém řetězci jsou sousední nukleotidy propojeny kovalentními vazbami, které se tvoří mezi deoxyribózou v molekule DNA (a ribózou v RNA) jednoho a zbytkem kyseliny fosforečné druhého nukleotidu.

Dvoušroubovicové řetězy komplementární navzájem, protože párování bází probíhá v přísném souladu: adenin se spojuje s thyminem a guanin se spojuje s cytosinem.

Výsledkem je, že v každém organismu Obr. Nukleotidové párování.

číslo adenylový nukleotidů rovných počtu thymidyl a číslo guanyl– číslo cytidyl. Tento vzor se nazývá „Chargaffovo pravidlo“.

Nazývá se přísná korespondence nukleotidů umístěných v párových antiparalelních řetězcích DNA komplementarita. Tato vlastnost je základem tvorby nových molekul DNA na základě původní molekuly.

Dvojitá šroubovice je tedy stabilizována četnými vodíkovými vlastnostmi (dvě se tvoří mezi A a T a tři mezi G a C) a hydrofobními interakcemi.

Podél osy molekuly jsou sousední páry bází umístěny ve vzdálenosti 0,34 nm od sebe. K úplnému otočení šroubovice dochází na 3,4 nm, tj. na 10 párů bází (jeden závit). Průměr spirály je 2 nm. Vzdálenost mezi sacharidovými složkami dvou párových nukleotidů je 1,1 nm. Délka molekuly nukleové kyseliny dosahuje stovek tisíc nanometrů. Ta je výrazně větší než největší proteinová makromolekula, která v rozvinutém stavu dosahuje délky maximálně 100-200 nm. Hmotnost molekuly DNA je 6*10 -12 g.

Proces zdvojení molekuly DNA se nazývá replikace . Replikace probíhá následovně. Působením speciálních enzymů (helikázy) dochází k přerušení vodíkových vazeb mezi nukleotidy dvou řetězců. Spirála se rozvine. Podle principu komplementarity se k uvolněným vazbám přidávají odpovídající nukleotidy DNA za přítomnosti enzymu DNA polymerázy. Toto nahromadění může nastat pouze ve směru 5"→3". To znamená nepřetržitou schopnost kopírovat pouze jeden řetězec DNA (nahoře na obrázku). Tento proces se nazývá kontinuální replikace. Kopírování jiného řetězce musí pokaždé začít znovu, což vede k přerušení řetězce. K jejich likvidaci je potřeba enzym – DNA ligáza. Tato replikace se nazývá přerušovaný.

Tato metoda replikace DNA, navržená Watsonem a Crickem, je známá jako semikonzervativní replikace .

V důsledku toho pořadí nukleotidů ve „starém“ řetězci DNA určuje pořadí nukleotidů v „novém“, tj. „Starý“ řetězec DNA je jakoby šablonou pro syntézu „nového“. Takové reakce se nazývají reakce syntézy matrice ; jsou charakteristické pouze pro živé věci.

Replikace (reduplikace) umožňuje zachovat stálost struktury DNA. Syntetizovaná molekula DNA je z hlediska sekvence nukleotidů naprosto identická s tou původní. Pokud vlivem různých faktorů během procesu replikace dojde v molekule DNA ke změnám v počtu a pořadí nukleotidů, pak dochází k mutacím. Schopnost molekul DNA korigovat vznikající změny a obnovovat původní se nazývá reparace .

Funkce DNA:

1) Uchovávání dědičných informací.

DNA uchovává informace jako sekvenci nukleotidů.

2) Reprodukce a přenos genetické informace.

Schopnost předat informaci dceřiným buňkám je zajištěna schopností chromozomů dělit se na chromatidy s následnou reduplikací molekul DNA. Kóduje genetickou informaci o sekvenci aminokyselin v molekule proteinu. Úsek DNA, který nese informaci o jednom polypeptidovém řetězci, se nazývá gen.

3) Strukturální.

DNA je přítomna v chromozomech jako strukturální složka, tzn. je chemickým základem chromozomálního genetického materiálu (genu).

4) DNA je templát pro tvorbu molekul RNA.

RNA se nachází ve všech živých buňkách ve formě jednořetězcových molekul. Od DNA se liší tím, že obsahuje pentózu ribóza (místo deoxyribózy) a jako jedna z pyrimidinových bází - uracil (místo tyminu). Existují tři typy RNA. Jedná se o messenger RNA (mRNA, mRNA), přenosovou RNA (tRNA) a ribozomální RNA (rRNA). Všechny tři jsou syntetizovány přímo z DNA a množství RNA v každé buňce závisí na množství proteinu produkovaného touto buňkou.

V řetězci RNA jsou nukleotidy spojeny vytvořením kovalentních vazeb (fosfodiesterových vazeb) mezi ribózou jednoho nukleotidu a zbytkem kyseliny fosforečné druhého.

Na rozdíl od DNA jsou molekuly RNA jednovláknový lineární biopolymer sestávající z nukleotidů.

Dvouvláknová RNA slouží u některých virů k ukládání a reprodukci dědičné informace, tzn. Plní funkce chromozomů – virové RNA.

Nukleotidy jedné molekuly RNA mohou vstupovat do komplementárních vztahů s jinými nukleotidy stejného řetězce v důsledku tvorby sekundární a terciární struktury molekul RNA.

Rýže. Struktura transferové RNA.

Ribisomální RNA(rRNA) tvoří 85 % celkové RNA buňky, je syntetizována v jadérku, v kombinaci s proteinem je součástí ribozomů, mitochondrií (mitochondriální RNA) a plastidů (plastidová RNA). Obsahuje 3 až 5 tisíc nukleotidů. Syntéza bílkovin probíhá na ribozomech.

Funkce: rRNA plní strukturní funkci (součást ribozomů) a podílí se na tvorbě aktivního centra ribozomů, kde v procesu biosyntézy proteinů dochází k tvorbě peptidových vazeb mezi molekulami aminokyselin.

Messenger RNA(mRNA) tvoří 5 % veškeré RNA v buňkách. Syntetizuje se při transkripci ve specifickém úseku molekuly DNA – genu. Struktura mRNA je komplementární k části molekul DNA, která nese informaci o syntéze konkrétního proteinu. Délka mRNA závisí na délce úseku DNA, ze kterého byla informace přečtena (může se skládat z 300-30 000 nukleotidů)

Funkce: mRNA přenáší informace o syntéze proteinů z jádra do cytoplazmy do ribozomů a stává se templátem pro syntézu proteinových molekul.

Přeneste RNA(tRNA) tvoří asi 10 % veškeré RNA, je syntetizována v jadérku, má krátký řetězec nukleotidů a nachází se v cytoplazmě. Má funkci trojlístku. Každá aminokyselina má svou vlastní rodinu molekul tRNA. Dodávají aminokyseliny obsažené v cytoplazmě do ribozomu.

Funkce: Na jednom konci je triplet nukleotidů (antikodon), který kóduje konkrétní aminokyselinu. Na druhém konci je triplet nukleotidů, ke kterému je připojena aminokyselina. Každá aminokyselina má svou vlastní tRNA.

Které zdědíme po našich předcích. Pokud máte děti, vaše genetická informace v jejich genomu bude rekombinována a kombinována s genetickou informací vašeho partnera. Váš vlastní genom je duplikován vždy, když se každá z vašich buněk dělí. Nukleové kyseliny navíc obsahují specifické segmenty zvané geny, které jsou zodpovědné za syntézu všech proteinů v buňkách. Vlastnosti genů řídí biologické vlastnosti vašeho těla.

Obecná informace

Existují dvě třídy nukleových kyselin: (lépe známé jako DNA) a (lépe známé jako RNA).

DNA je vláknitý řetězec genů, který je nezbytný pro růst, vývoj, fungování a reprodukci všech známých živých organismů a většiny virů.

Změny v DNA mnohobuněčných organismů povedou ke změnám v následujících generacích.

DNA je biogenetický substrát, který se nachází ve všech existujících živých věcech, od nejjednodušších živých organismů po vysoce organizované savce.

Mnoho virových částic (virionů) obsahuje ve svém jádru RNA jako genetický materiál. Je však třeba zmínit, že viry leží na hranici mezi živou a neživou přírodou, protože bez buněčného aparátu hostitele zůstávají neaktivní.

Historický odkaz

V roce 1869 Friedrich Miescher izoloval jádra z leukocytů a zjistil, že obsahují látku bohatou na fosfor, kterou nazval nuklein.

Hermann Fischer objevil purinové a pyrimidinové báze v nukleových kyselinách v 80. letech 19. století.

V roce 1884 R. Hertwig navrhl, že za přenos dědičných znaků jsou zodpovědné nukleiny.

V roce 1899 Richard Altmann vytvořil termín „jádrová kyselina“.

A později, ve 40. letech 20. století, vědci Kaspersson a Brachet objevili souvislost mezi nukleovými kyselinami a syntézou proteinů.

Nukleotidy

Polynukleotidy jsou sestaveny z mnoha nukleotidů - monomerů, spojených dohromady do řetězců.

Ve struktuře nukleových kyselin se rozlišují nukleotidy, z nichž každý obsahuje:

• Dusíkatá báze.
• Pentózový cukr.
• Fosfátová skupina.

Každý nukleotid obsahuje aromatickou bázi obsahující dusík připojenou k pentózovému (pěti uhlíkovému) sacharidu, který je zase připojen ke zbytku kyseliny fosforečné. Takové monomery se vzájemně spojují za vzniku polymerních řetězců. Jsou spojeny kovalentními vodíkovými vazbami, které se vyskytují mezi fosforovým zbytkem jednoho řetězce a pentózovým cukrem druhého řetězce. Tyto vazby se nazývají fosfodiesterové vazby. Fosfodiesterové vazby tvoří fosfát-sacharidový rámec (kostru) DNA i RNA.

deoxyribonukleotid

Uvažujme vlastnosti nukleových kyselin umístěných v jádře. DNA tvoří chromozomální aparát jádra našich buněk. DNA obsahuje „softwarové instrukce“ pro normální fungování buňky. Když buňka reprodukuje svůj vlastní druh, jsou tyto instrukce předány nové buňce během mitózy. DNA má podobu dvouvláknové makromolekuly, stočené do dvoušroubovice.

Nukleová kyselina obsahuje fosfát-deoxyribózový sacharidový skelet a čtyři dusíkaté báze: adenin (A), guanin (G), cytosin (C) a thymin (T). Ve dvouvláknové šroubovici tvoří adenin pár s thyminem (A-T), guanin s cytosinem (G-C).

V roce 1953 James D. Watson a Francis H.C. Crick navrhl trojrozměrnou strukturu DNA založenou na rentgenových krystalografických datech s nízkým rozlišením. Citovali také zjištění biologa Erwina Chargaffa, že v DNA je množství thyminu ekvivalentní množství adeninu a množství guaninu je ekvivalentní množství cytosinu. Watson a Crick, kteří v roce 1962 získali Nobelovu cenu za přínos vědě, předpokládali, že dva řetězce polynukleotidů tvoří dvojitou šroubovici. Vlákna, i když jsou totožná, se kroutí v opačných směrech. Fosfátovo-uhlíkové řetězce jsou umístěny na vnější straně šroubovice a báze leží na vnitřní straně, kde se kovalentními vazbami vážou na báze na jiném řetězci.

Ribonukleotidy

Molekula RNA existuje jako jednořetězcový helikální řetězec. Struktura RNA obsahuje fosfát-ribózový sacharidový skelet a nitrátové báze: adenin, guanin, cytosin a uracil (U). Když se RNA vytvoří během transkripce na templátu DNA, guanin tvoří pár s cytosinem (G-C) a adenin s uracilem (A-U).

Fragmenty RNA se používají k replikaci proteinů ve všech živých buňkách, což jim umožňuje pokračovat v růstu a dělení.

Nukleové kyseliny mají dvě hlavní funkce. Za prvé, pomáhají DNA tím, že slouží jako poslové, kteří přenášejí potřebné dědičné informace do bezpočtu ribozomů v našem těle. Další hlavní funkcí RNA je dodat správnou aminokyselinu potřebnou pro každý ribozom k vytvoření nového proteinu. Existuje několik různých tříd RNA.

Messenger RNA (mRNA nebo messenger mRNA) je kopie základní sekvence úseku DNA získaného v důsledku transkripce. Messenger RNA slouží jako prostředník mezi DNA a ribozomy – buněčnými organelami, které přijímají aminokyseliny z transferové RNA a využívají je k budování polypeptidového řetězce.

Aktivuje čtení dědičných dat z messenger RNA, v důsledku čehož je spuštěn proces translace ribonukleové kyseliny - syntéza bílkovin. Také transportuje esenciální aminokyseliny do míst, kde se syntetizují bílkoviny.

Ribozomální RNA (rRNA) je hlavním stavebním materiálem ribozomů. Váže templátový ribonukleotid na specifické místo, kde lze číst jeho informace, čímž zahajuje proces translace.

MikroRNA jsou malé molekuly RNA, které působí jako regulátory mnoha genů.

Funkce nukleových kyselin jsou nesmírně důležité pro život obecně a pro každou buňku zvlášť. Téměř všechny funkce, které buňka vykonává, jsou regulovány proteiny syntetizovanými pomocí RNA a DNA. Enzymy, proteinové produkty, katalyzují všechny životně důležité procesy: dýchání, trávení, všechny typy metabolismu.

Rozdíly mezi strukturou nukleových kyselin

Charakteristické vlastnosti bází nukleových kyselin

Adenin a guanin jsou svými vlastnostmi puriny. To znamená, že jejich molekulární struktura zahrnuje dva kondenzované benzenové kruhy. Cytosin a thymin zase patří k pyrimidinům a mají jeden benzenový kruh. Monomery RNA budují své řetězce pomocí bází adeninu, guaninu a cytosinu a místo thyminu přidávají uracil (U). Každá z pyrimidinových a purinových bází má svou vlastní jedinečnou strukturu a vlastnosti, vlastní sadu funkčních skupin spojených s benzenovým kruhem.

V molekulární biologii se pro označení dusíkatých bází používají speciální jednopísmenné zkratky: A, T, G, C nebo U.

Pentózový cukr

Kromě toho, že mají odlišnou sadu dusíkatých bází, monomery DNA a RNA se liší v obsahu pentózového cukru. Pětatomový sacharid v DNA je deoxyribóza, zatímco v RNA je to ribóza. Strukturou jsou téměř totožné, jen s jedním rozdílem: ribóza váže hydroxylovou skupinu, zatímco v deoxyribóze je nahrazena atomem vodíku.

závěry

V evoluci biologické druhy a kontinuita života, nelze přeceňovat roli nukleových kyselin. Jako nedílná součást všech jader živých buněk jsou zodpovědné za aktivaci všech životně důležitých procesů probíhajících v buňkách.