Nukleové kyseliny a ich zloženie. Chemické vlastnosti nukleových kyselín
NUKLEOVÉ KYSELINY
biopolyméry pozostávajúce zo zvyškov kyseliny fosforečnej, cukrov a dusíkatých zásad (puríny a pyrimidíny). Majú základný biologický význam, pretože obsahujú v zakódovanej forme všetky genetické informácie každého živého organizmu, od ľudí po baktérie a vírusy, prenášané z jednej generácie na druhú. Nukleové kyseliny prvýkrát izoloval z buniek ľudského hnisu a spermií lososa švajčiarsky lekár a biochemik F. Miescher v rokoch 1869 až 1871. Následne sa zistilo, že existujú dva typy nukleových kyselín: kyselina ribonukleová (RNA) a kyselina deoxyribonukleová (DNA). , ale ich funkcie zostali dlho neznáme. V roku 1928 anglický bakteriológ F. Griffith zistil, že zabité patogénne pneumokoky môžu zmeniť genetické vlastnosti živých nepatogénnych pneumokokov a zmeniť ich na patogénne. V roku 1945 urobil mikrobiológ O. Avery z Rockefellerovho inštitútu v New Yorku dôležitý objav: ukázal, že schopnosť genetickej transformácie je spôsobená prenosom DNA z jednej bunky do druhej, a teda genetickým materiálom je DNA. V rokoch 1940-1950 J. Beadle a E. Tatum zo Stanfordskej univerzity (Kalifornia) zistili, že syntéza bielkovín, najmä enzýmov, je riadená špecifickými génmi. V roku 1942 T. Kasperson vo Švédsku a J. Brachet v Belgicku zistili, že nukleové kyseliny sú obzvlášť bohaté na bunky, ktoré aktívne syntetizujú proteíny. Všetky tieto údaje naznačujú, že genetickým materiálom je nukleová kyselina a že sa nejakým spôsobom podieľa na syntéze proteínov. V tom čase však mnohí verili, že molekuly nukleových kyselín majú napriek svojej veľkej dĺžke príliš jednoduchú periodicky sa opakujúcu štruktúru na to, aby niesli dostatok informácií na to, aby slúžili ako genetický materiál. No koncom 40. rokov E. Chargaff v USA a J. Wyatt v Kanade pomocou metódy deliacej chromatografie na papieri ukázali, že štruktúra DNA nie je taká jednoduchá a táto molekula môže slúžiť ako nosič genetickej informácie.
Štruktúru DNA stanovili v roku 1953 M. Wilkins, J. Watson a F. Crick v Anglicku. Tento zásadný objav umožnil pochopiť, ako dochádza k zdvojovaniu (replikácii) nukleových kyselín. Čoskoro na to americkí výskumníci A. Downs a J. Gamow navrhli, že štruktúra proteínov je nejakým spôsobom zakódovaná v nukleových kyselinách a v roku 1965 túto hypotézu potvrdili mnohí výskumníci: F. Crick v Anglicku, M. Nirenberg a S. Ochoa v USA, H. Korán v Indii. Všetky tieto objavy, výsledok storočia štúdia nukleových kyselín, priniesli skutočnú revolúciu v biológii. Umožnili vysvetliť fenomén života v rámci interakcie medzi atómami a molekulami.
Typy a rozdelenie. Ako sme už povedali, existujú dva typy nukleových kyselín: DNA a RNA. DNA je prítomná v jadrách všetkých rastlinných a živočíšnych buniek, kde je komplexovaná s proteínmi a je neoddeliteľnou súčasťou chromozómov. U jedincov každého konkrétneho druhu je obsah jadrovej DNA zvyčajne rovnaký vo všetkých bunkách, okrem gamét (vajíčok a spermií), kde je DNA polovičná. Množstvo bunkovej DNA je teda druhovo špecifické. DNA sa nachádza aj mimo jadra: v mitochondriách („energetické stanice“ buniek) a v chloroplastoch (častice, kde v rastlinných bunkách prebieha fotosyntéza). Tieto subcelulárne častice majú určitú genetickú autonómiu. Baktérie a sinice (modrozelené riasy) obsahujú namiesto chromozómov jednu alebo dve veľké molekuly DNA spojené s malým množstvom proteínu a často menšie molekuly DNA nazývané plazmidy. Plazmidy sú nositeľmi užitočnej genetickej informácie, obsahujú napríklad gény pre rezistenciu voči antibiotikám, no pre život samotnej bunky nie sú nevyhnutné. Určité množstvo RNA je prítomné v bunkovom jadre, ale prevažná časť je v cytoplazme - tekutom obsahu bunky. Väčšinu z toho tvorí ribozomálna RNA (rRNA). Ribozómy sú najmenšie telieska, na ktorých prebieha syntéza bielkovín. Malé množstvo RNA predstavuje transferová RNA (tRNA), ktorá sa podieľa aj na syntéze bielkovín. Obidve tieto triedy RNA však nenesú informáciu o štruktúre proteínov – takáto informácia je obsiahnutá v matrici alebo informácii RNA (mRNA), ktorá tvorí len malú časť celkovej bunkovej RNA. Genetický materiál vírusov je buď DNA alebo RNA, ale nikdy nie oboje súčasne.
VŠEOBECNÉ VLASTNOSTI
Molekuly nukleových kyselín obsahujú veľa negatívne nabitých fosfátových skupín a tvoria komplexy s kovovými iónmi; ich draselné a sodné soli sú vysoko rozpustné vo vode. Koncentrované roztoky nukleových kyselín sú veľmi viskózne a mierne opalescentné a v pevnej forme sú tieto látky biele. Nukleové kyseliny silne absorbujú ultrafialové svetlo a táto vlastnosť je základom určenia ich koncentrácie. S touto vlastnosťou je spojený aj mutagénny účinok ultrafialového svetla. Dlhé molekuly DNA sú krehké a ľahko sa rozbijú, napríklad pri pretláčaní roztoku injekčnou striekačkou. Preto si práca s vysokomolekulárnou DNA vyžaduje špeciálnu starostlivosť.
Chemická štruktúra. Nukleové kyseliny sú dlhé reťazce pozostávajúce zo štyroch opakujúcich sa jednotiek (nukleotidov). Ich štruktúra môže byť reprezentovaná nasledovne:
Symbol F predstavuje fosfátovú skupinu. Striedajúce sa zvyšky cukru a kyseliny fosforečnej tvoria cukrovo-fosfátový hlavný reťazec molekuly, ktorý je rovnaký pre všetky DNA, a ich obrovská rozmanitosť je spôsobená skutočnosťou, že štyri dusíkaté bázy môžu byť umiestnené pozdĺž reťazca vo veľmi odlišných sekvenciách. Cukor v nukleových kyselinách je pentóza; štyri z jeho piatich atómov uhlíka spolu s jedným atómom kyslíka tvoria kruh. Atómy uhlíka pentózy sú označené číslami od 1" do 5". V RNA je cukor zastúpený ribózou a v DNA je to deoxyribóza, ktorá obsahuje o jeden atóm kyslíka menej. Fragmenty polynukleotidových reťazcov DNA a RNA sú znázornené na obrázku.
Pretože fosfátové skupiny sú pripojené k cukru asymetricky, v polohách 3" a 5", molekula nukleovej kyseliny má špecifický smer. Esterové väzby medzi monomérnymi jednotkami nukleovej kyseliny sú náchylné na hydrolytické štiepenie (enzymatické alebo chemické), ktoré uvoľňuje jednotlivé zložky ako malé molekuly. Dusíkaté bázy sú planárne heterocyklické zlúčeniny. Sú pripevnené k pentózovému krúžku v polohe 1ў. Väčšie bázy majú dva kruhy a nazývajú sa puríny: adenín (A) a guanín (G). Menšie bázy majú jeden kruh a nazývajú sa pyrimidíny: sú to cytozín (C), tymín (T) a uracil (U). DNA obsahuje bázy A, G, T a C RNA obsahuje U namiesto T. Ten sa líši od tymínu tým, že nemá metylovú skupinu (CH3). Uracil sa nachádza v DNA niektorých vírusov, kde plní rovnakú funkciu ako tymín.
Trojrozmerná štruktúra. Dôležitým znakom nukleových kyselín je pravidelnosť priestorového usporiadania ich základných atómov, stanovená röntgenovou difrakciou. Molekula DNA pozostáva z dvoch protiľahlých reťazcov (niekedy obsahujúcich milióny nukleotidov), ktoré sú držané pohromade vodíkovými väzbami medzi bázami:
Vodíkové väzby spájajúce bázy opačných reťazcov sú klasifikované ako slabé, ale vzhľadom na ich množstvo v molekule DNA pevne stabilizujú jej štruktúru. Ak sa však roztok DNA zahreje na približne 60 °C, tieto väzby sa prerušia a reťazce sa rozídu – dôjde k denaturácii (topeniu) DNA. Obidve vlákna DNA sú špirálovito stočené okolo pomyselnej osi, ako keby boli navinuté na valci. Táto štruktúra sa nazýva dvojitá špirála. Pre každé otočenie špirály je desať párov báz.
DNA DOUBLE HElix. Štruktúra DNA pripomína točité schodisko. Jeho strany sú zložené zo striedajúcich sa cukrových zvyškov a fosfátových skupín; Každý zvyšok cukru na jednej bočnej stene je spojený so svojím partnerom na druhej „priečnikom“ pozostávajúcim z purínu (adenínu alebo guanínu) a pyrimidínu (cytozín alebo tymín), pričom adenín je pripojený iba k tymínu a guanín k cytozínu.
Pravidlo komplementarity. Watson a Crick ukázali, že tvorba vodíkových väzieb a pravidelnej dvojitej špirály je možná len vtedy, keď väčšia purínová báza adenín (A) v jednom reťazci má ako partnera v druhom reťazci menšia pyrimidínová báza tymín (T) a guanín (G) spojený s cytozínom (C). Tento vzor možno znázorniť takto:
Korešpondencia A"T a G"C sa nazýva pravidlo komplementarity a samotné reťazce sa nazývajú komplementárne. Podľa tohto pravidla sa obsah adenínu v DNA vždy rovná obsahu tymínu a množstvo guanínu sa vždy rovná množstvu cytozínu. Treba poznamenať, že dva reťazce DNA, aj keď sú chemicky odlišné, nesú rovnakú informáciu, pretože v dôsledku komplementarity jedno vlákno jednoznačne špecifikuje druhé. Štruktúra RNA je menej usporiadaná. Zvyčajne ide o jednovláknovú molekulu, hoci RNA niektorých vírusov pozostáva z dvoch vlákien. Ale aj táto RNA je flexibilnejšia ako DNA. Niektoré oblasti v molekule RNA sú vzájomne komplementárne a keď sa vlákno ohne, spárujú sa a vytvoria dvojvláknové štruktúry (vlásenky). To platí predovšetkým pre transferové RNA (tRNA). Niektoré bázy v tRNA podliehajú modifikácii po syntéze molekuly. Niekedy sa k nim napríklad pridávajú metylové skupiny.
FUNKCIA NUKLEOVÝCH KYSELÍN
Jednou z hlavných funkcií nukleových kyselín je stanovenie syntézy proteínov. Informácie o štruktúre proteínov zakódovaných v nukleotidovej sekvencii DNA sa musia prenášať z jednej generácie na druhú, a preto je nevyhnutné jej bezchybné kopírovanie, t.j. syntéza presne tej istej molekuly DNA (replikácia).
Replikácia a transkripcia. Z chemického hľadiska je syntéza nukleových kyselín polymerizácia, t.j. sekvenčné spojenie stavebných blokov. Nukleozidtrifosfáty slúžia ako také bloky; reakciu možno znázorniť takto:
Energia potrebná na syntézu sa uvoľňuje pri odstránení pyrofosfátu a reakciu katalyzujú špeciálne enzýmy - DNA polymerázy. Výsledkom takéhoto syntetického procesu by sme získali polymér s náhodnou sekvenciou báz. Väčšina polymeráz však funguje iba v prítomnosti vopred existujúceho templátu nukleovej kyseliny, ktorý určuje, ktorý nukleotid sa pridá na koniec reťazca. Tento nukleotid musí byť komplementárny k zodpovedajúcemu nukleotidu templátu, takže nové vlákno je komplementárne k pôvodnému. Použitím komplementárneho vlákna ako šablóny získame presnú kópiu originálu. DNA pozostáva z dvoch vzájomne sa dopĺňajúcich reťazcov. Počas replikácie sa rozchádzajú a každý z nich slúži ako šablóna pre syntézu nového reťazca:
Vzniknú tak dva nové dvojité helixy s rovnakou sekvenciou báz ako pôvodná DNA. Niekedy proces replikácie „zlyhá“ a dochádza k mutáciám (pozri aj DEDINÉ). V dôsledku transkripcie DNA sa tvoria bunkové RNA (mRNA, rRNA a tRNA):
Sú komplementárne k jednému z reťazcov DNA a sú kópiou druhého reťazca, okrem toho, že uracil zaberá miesto tymínu. Týmto spôsobom môžete získať veľa kópií RNA jedného z reťazcov DNA. V normálnej bunke dochádza k prenosu informácií len v smere DNA -> DNA a DNA -> RNA. V bunkách infikovaných vírusom sú však možné aj iné procesy: RNA -> RNA a RNA -> DNA. Genetický materiál mnohých vírusov je molekula RNA, zvyčajne jednovláknová. Po preniknutí do hostiteľskej bunky sa táto RNA replikuje za vzniku komplementárnej molekuly, na ktorej sa zase syntetizuje mnoho kópií pôvodnej vírusovej RNA:
Vírusová RNA môže byť transkribovaná enzýmom nazývaným reverzná transkriptáza do DNA, ktorá je niekedy inkorporovaná do chromozomálnej DNA hostiteľskej bunky. Táto DNA teraz nesie vírusové gény a po transkripcii sa vírusová RNA môže objaviť v bunke. Po dlhšom čase, počas ktorého sa v bunke nezistí žiadny vírus, sa v nej teda opäť objaví bez opätovnej infekcie. Vírusy, ktorých genetický materiál je vložený do chromozómu hostiteľskej bunky, sú často príčinou rakoviny.
Translácia nukleových kyselín na proteíny. Genetická informácia zakódovaná v nukleotidovej sekvencii DNA sa prekladá nielen do reči nukleotidovej sekvencie RNA, ale aj do reči aminokyselín – monomérnych jednotiek bielkovín. Molekula proteínu je reťazec aminokyselín. Každá aminokyselina obsahuje kyslú karboxylovú skupinu -COOH a zásaditú aminoskupinu -NH2. Karboxylová skupina jednej aminokyseliny sa naviaže na aminoskupinu druhej, čím sa vytvorí amidová väzba a tento proces pokračuje, kým sa nevytvorí reťazec obsahujúci až 1000 aminokyselín (pozri tiež PROTEÍNY). Proteíny obsahujú 20 rôznych aminokyselín, ktorých poradie určuje ich povahu a funkcie. Táto sekvencia je určená nukleotidovou sekvenciou zodpovedajúceho génu - úseku DNA kódujúceho tento proteín. Samotná DNA však nie je templátom pre syntézu proteínov. Najprv sa v jadre prepíše za vzniku messengerovej RNA (mRNA), ktorá difunduje do cytoplazmy a na nej sa syntetizuje proteín ako templát. Proces je zrýchlený v dôsledku skutočnosti, že na každej molekule mRNA možno súčasne syntetizovať mnoho proteínových molekúl. Replikácia nukleových kyselín sa uskutočňuje v dôsledku tvorby vodíkových väzieb medzi komplementárnymi bázami rodičovského a dcérskeho reťazca. Aminokyseliny netvoria vodíkové väzby so zásadami, takže priame kopírovanie šablóny nie je možné. S matricou interagujú nepriamo, prostredníctvom „adaptérových“ nukleových kyselín – malých molekúl transferovej RNA (tRNA), pozostávajúcej z približne 80 báz a schopných viazať sa na mRNA. Každá tRNA obsahuje špecifickú trojbázovú sekvenciu, antikodón, ktorý je komplementárny ku skupine troch báz, kodónu, v mRNA. Antikodóny interagujú s kodónmi podľa pravidla komplementarity, takmer rovnakým spôsobom, ako interagujú dva reťazce DNA. Sekvencia báz v mRNA teda určuje poradie, v ktorom sa pridávajú tRNA nesúce aminokyseliny. Schematicky možno prenos informácií z DNA do proteínu znázorniť takto:
Poradie báz v DNA určuje poradie aminokyselín v proteíne, pretože každá aminokyselina je pridaná špecifickým enzýmom len k určitým tRNA a tie zasa len k určitým kodónom v mRNA. Komplexy tRNA-aminokyselina sa viažu na templát jeden po druhom. Hlavné fázy syntézy proteínov sú uvedené nižšie (pozri tiež obrázok).
1. Enzýmy nazývané aminoacyl-tRNA syntetázy pridávajú aminokyseliny k zodpovedajúcim tRNA. Existuje 20 takýchto enzýmov, jeden pre každú aminokyselinu. 2. Molekula mRNA pripojí svoj prvý kodón k malej častici nazývanej ribozóm. Ribozómy pozostávajú z približne rovnakých množstiev rRNA a proteínu. Štruktúra a funkcia ribozómov sú veľmi zložité, ale ich hlavnou úlohou je uľahčiť interakciu mRNA a tRNA a urýchliť polymerizáciu aminokyselín spojených s rôznymi tRNA. 3. tRNA naplnená aminokyselinou sa viaže na zodpovedajúci kodón mRNA, ktorý sa následne dostáva do kontaktu s ribozómom. Vytvorí sa komplex ribozóm-mRNA-tRNA-aminokyselina. 4. mRNA sa ako dopravný pás pohybuje pozdĺž ribozómu o jeden kodón dopredu. 5. Ďalšia tRNA naplnená aminokyselinou sa pridá k druhému kodónu. 6. Prvá a druhá aminokyselina sa navzájom viažu. 7. Prvá tRNA disociuje z komplexu a teraz druhá tRNA nesie dve aminokyseliny spojené dohromady. 8. mRNA sa opäť posunie o jeden kodón dopredu a všetky udalosti sa opakujú a rastúci reťazec aminokyselín sa predĺži o jednu aminokyselinu. Proces pokračuje, kým sa nedosiahne posledný „stop“ kodón a posledná tRNA sa oddelí od hotového proteínového reťazca. V bakteriálnych bunkách sa reťazec 100-200 aminokyselín zostaví v priebehu niekoľkých sekúnd. V živočíšnych bunkách tento proces trvá asi minútu.
Genetický kód. Takže každá aminokyselina v proteíne je nepriamo určená špecifickým kodónom (skupina 3 báz) v mRNA a nakoniec v DNA. Keďže v nukleových kyselinách sú štyri typy báz, počet možných kodónov je 444 = 64. Zhoda medzi kodónmi a aminokyselinami, ktoré kódujú, sa nazýva genetický alebo biologický kód. Táto zhoda bola stanovená experimentálne: k zničeným bunkám sa pridali syntetické polynukleotidy známeho zloženia a skúmali sa, ktoré aminokyseliny sú zahrnuté v proteínoch. Neskôr bolo možné priamo porovnávať sekvencie aminokyselín vo vírusových proteínoch a báz vo vírusových nukleových kyselinách. Je mimoriadne zaujímavé, že genetický kód je až na zriedkavé výnimky rovnaký pre všetky organizmy – od vírusov až po ľudí. Jednou z takýchto výnimiek sú zmeny v genetickom kóde používanom mitochondriami. Mitochondrie sú malé autonómne subcelulárne častice (organely) prítomné vo všetkých bunkách okrem baktérií a zrelých červených krviniek. Predpokladá sa, že mitochondrie boli kedysi nezávislými organizmami; Po prieniku do buniek sa nakoniec stali ich integrálnou súčasťou, ale zachovali si určité množstvo vlastnej DNA a syntetizovali niekoľko mitochondriálnych proteínov.
Všeobecne povedané, každá aminokyselina má viac ako jeden kodón. Väčšina kodónov kódujúcich rovnakú aminokyselinu má rovnaké prvé dve bázy, ale v troch prípadoch (leucín, serín a arginín) existujú dve alternatívne sady prvých dubletov v kodónoch zodpovedajúcich rovnakej aminokyseline. Povaha základne na tretej pozícii nie je taká dôležitá; rovnaká aminokyselina - glycín - môže byť kódovaná odlišne: GGU, GGC, GGA a GGG. Avšak kodóny pre dve rôzne aminokyseliny môžu mať dve identické prvé bázy, v takom prípade bude rozdiel medzi nimi určený povahou tretej bázy - purínu alebo pyrimidínu. Histidín je teda kódovaný tripletmi CAA a CAC a glutamín CAA a CAG. Tri kodóny, UAA, UAG a UGA, nekódujú žiadne aminokyseliny a nazývajú sa „nezmysel“. Jedna molekula DNA kóduje veľa proteínových reťazcov. Každý segment kódujúci jeden reťazec sa nazýva cistrón. Začiatok a koniec cistrónu a rozhranie medzi nimi sú označené akousi chemickou interpunkciou. Minimálne u baktérií sa metionínový kodón AUG nachádza na začiatku cistrónu. Je logické predpokladať, že prvou aminokyselinou v proteíne by mal byť vždy metionín, ale často sa prvých pár aminokyselín odštiepi enzymaticky po dokončení syntézy proteínov. Koniec proteínového reťazca je označený jedným alebo viacerými "nezmyselnými" kodónmi. V baktériách (prokaryotoch) takmer všetka DNA kóduje nejaký druh proteínu alebo tRNA. Vo vyšších formách (eukaryoty) však významnú časť DNA tvoria jednoduché opakujúce sa sekvencie a „tiché“ gény, ktoré sa neprepisujú do RNA, a preto sa neprekladajú do proteínov. Okrem toho pôvodne syntetizovaná mRNA obsahuje oblasti, ktoré neurčujú žiadne proteínové sekvencie. Takéto oblasti (intróny), nachádzajúce sa medzi kódujúcimi oblasťami (exónmi), sú odstránené špeciálnymi enzýmami pred začatím syntézy proteínov. Prečo tieto zdanlivo zbytočné segmenty existujú v DNA, nie je jasné; možno vykonávajú regulačné funkcie. V najjednoduchšej Tetrahymene samotná RNA odstraňuje svoje intróny a spája voľné konce reťazcov, pričom vo vzťahu k sebe samému pôsobí ako enzým. Toto je jediná známa výnimka z pravidla, že nukleové kyseliny nemajú enzymatickú aktivitu.
Prenos RNA a supresia. Význam informácie obsiahnutej v DNA, ak je preložená do reči aminokyselín, je určená jednak samotnou DNA a jednak mechanizmom čítania, t.j. závisí nielen od toho, ktoré kodóny sú v DNA a v akej sekvencii sa nachádzajú, ale aj od toho, na ktoré aminokyseliny (a na ktoré tRNA) sa viažu aminoacyl-tRNA syntetázy. Samozrejme, povaha syntetáz a tRNA je tiež určená DNA a v tomto zmysle je DNA primárnym determinantom proteínovej sekvencie. Celkové určenie je však funkciou celého systému, pretože výsledok závisí od počiatočných komponentov. Ak by korešpondencia medzi tRNA a aminokyselinami bola odlišná, zmenil by sa aj význam kodónov. Je známe, že mutácie v DNA menia mechanizmus čítania a v dôsledku toho menia – aj keď mierne – význam kodónov. V baktérii Escherichia coli teda glycínová tRNA zvyčajne rozpoznáva kodón HGA v mRNA; mutácia v DNA, z ktorej je táto tRNA transkribovaná, zmení antikodón glycínovej tRNA tak, že teraz rozpozná kodón AGA zodpovedajúci arginínu a v molekule proteínu sa namiesto arginínu objaví glycín. To nemusí mať nevyhnutne fatálne následky, pretože nie všetky arginíny sú kódované tripletom AGA a existujú arginínové tRNA, ktoré stále rozpoznávajú „svoje“ AGA. V dôsledku toho sa nezmenia všetky molekuly bielkovín. Niekedy také mutácie, ktoré menia antikodón, potláčajú (potláčajú) mutácie v kodóne. Napríklad, ak mutácia zmení glycínový kodón GGA na AGA, môže sa stále čítať ako glycín, ak sa antikodón glycínovej tRNA naopak zmenil tak, že tRNA rozpoznáva AGA. V tomto prípade druhá „chyba“ eliminuje prvú. Mutácie, ktoré vedú k zmenám v antikodónoch, môžu mať rôzne dôsledky, pretože ten istý kodón môže byť rozpoznaný niekoľkými tRNA. Všeobecne povedané, rozpoznávanie nastáva v dôsledku komplementarity báz kodónu a antikodónu, ale jedna z báz kodónu môže byť modifikovaná tak, že antikodón rozpozná aj neúplne komplementárny kodón. Výsledkom je, že rovnaká tRNA môže interagovať s niekoľkými rôznymi kodónmi kódujúcimi rovnakú aminokyselinu. Tento jav neúplného párovania kodónu a antikodónu nazval F. Crick „kolísavý“.
Regulácia aktivity génov. Pre organizmus by bola katastrofa, keby všetky jeho gény fungovali súčasne vo všetkých jeho bunkách a všetky nimi kódované proteíny boli syntetizované. Napríklad baktérie sa musia neustále prispôsobovať podmienkam prostredia syntetizovaním potrebných enzýmov. Všetky bunky vyšších organizmov majú rovnakú sadu génov, ale mozgové bunky našťastie neprodukujú tráviace enzýmy a svalové bielkoviny sa v šošovke oka nesyntetizujú. Aktivita génu je charakterizovaná tým, či je transkribovaný, aby produkoval zodpovedajúcu mRNA. DNA je dlhá molekula a v určitých jej častiach sa nachádzajú sekvencie nazývané promótory, ktoré rozpoznáva špecifický transkripčný enzým, polymeráza. V týchto oblastiach a len v nich začína transkripcia, ktorá pokračuje, až kým nedosiahne sekvenciu báz, ktorá označuje koniec čítania. Existujú špeciálne represorové proteíny, ktoré sa viažu na DNA v blízkosti promótora v mieste nazývanom operátor. Výsledný komplex blokuje transkripciu a mRNA sa nesyntetizuje. Represorové proteíny sú teda inhibítory transkripcie. Na druhej strane sú malé molekuly, ktoré tvoria komplex s represormi a zmierňujú ich blokujúci účinok na transkripciu. Inými slovami, inhibujú inhibítory. Baktériám teda normálne chýbajú enzýmy, ktoré katalyzujú rozklad určitých cukrov; ak sa však jeden z týchto cukrov objaví v médiu, vytvorí s represorom komplex, inhibícia sa odstráni a spustí sa syntéza zodpovedajúceho enzýmu. Enzýmy, ktorých syntéza je indukovaná ich vlastnými substrátmi, sa nazývajú indukovateľné. V niektorých prípadoch, naopak, represorový proteín neblokuje transkripciu mRNA, pokiaľ nie je spojený so špecifickou molekulou. V baktériách sa niektoré enzýmy podieľajúce sa na syntéze určitých aminokyselín tvoria len v neprítomnosti týchto aminokyselín, t.j. baktérie produkujú tieto enzýmy iba v prípade potreby. Ak do média pridáte vhodnú aminokyselinu, vytvorí komplex s represorom a aktivuje ho, čím inhibuje transkripciu zodpovedajúcich génov. Už vytvorená mRNA sa čoskoro štiepi a syntéza enzýmov sa zastaví. Takéto enzýmy sú negatívne indukovateľné. Keďže represorové proteíny sú samy osebe kódované génmi, ktorých činnosť môže byť regulovaná inými génmi a syntéza induktorov a hormónov malých molekúl je tiež v konečnom dôsledku regulovaná génmi, mechanizmy regulácie génovej aktivity môžu byť veľmi komplexné.
LITERATÚRA
Ichas M. Biologický kód. M., 1971 Shabarova Z.A., Bogdanov A.A. Chémia nukleových kyselín a ich zložiek, M., 1978 Zenger V. Princípy štruktúrnej organizácie nukleových kyselín. M., 1987
Collierova encyklopédia. - Otvorená spoločnosť. 2000 .
Pozrite sa, čo sú „NUCLEIC ACIDS“ v iných slovníkoch:
Polynukleotidy, biopolyméry obsahujúce fosfor, ktoré majú univerzálne rozšírenie v živej prírode. Prvýkrát objavený F. Miescherom v roku 1868 v bunkách bohatých na jadrový materiál (leukocyty, lososie spermie). Výraz „N. Komu." navrhnutý v roku 1889.... Biologický encyklopedický slovník
- (polynukleotidy), organické zlúčeniny s vysokou molekulovou hmotnosťou tvorené nukleotidovými zvyškami. V závislosti od toho, ktorý sacharid je súčasťou nukleovej kyseliny deoxyribózy alebo ribózy, sa rozlišuje medzi deoxyribonukleovou kyselinou (DNA) a... ... Moderná encyklopédia
Dôkazy o genetickej úlohe DNA
Názov „nukleové kyseliny“ pochádza z latinského slova „nucleus“, t.j. jadro. Prvýkrát ich objavil v roku 1868 I.F. Miescher v jadrách leukocytov.
Experimenty v 40. a 50. rokoch presvedčivo dokázali, že práve nukleové kyseliny (a nie bielkoviny, ako mnohí predpokladali), sú nositeľmi dedičnej informácie vo všetkých organizmoch. Tieto experimenty odhalili biologickú povahu javov transformácie a transdukcie, na úrovni mikroorganizmov, mechanizmy interakcie medzi organizmami a bunkami.
Transformácia(z latinčiny transformácia - transformácia, zmena) - zmena dedičných vlastností bakteriálnej bunky v dôsledku prenikania cudzej DNA do nej. Prvýkrát objavený v roku 1928 F. Griffithsom. Griffiths zistil, že keď boli myšiam injekčne podané súčasne dva kmene pneumokokov (R-kmeň, nevirulentný, a S-kmeň, virulentný, ale usmrtený teplom), po niekoľkých dňoch uhynuli a virulentné pneumokoky S-kmeňa sa našli v ich krvi (obr. 7.1.).
TOTO. Avery spolu so svojimi kolegami (1944) zistili, že molekuly DNA sú faktorom, ktorý premieňa nepatogénne baktérie na patogénne.
S objavom a štúdiom transformácie sa ukázalo, že DNA je materiálnym nosičom dedičnej informácie. Transformácia je možná aj v bunkách vyšších organizmov.
Transdukcia (z lat. transductio - pohyb) - prenos fragmentov DNA bakteriofágom z jednej bakteriálnej bunky do druhej, čo vedie k zmene dedičných vlastností bunky. Informácie zavedené počas procesu replikácie DNA sa prenášajú prostredníctvom série bunkových generácií baktérie.
Fenomén transdukcie je potvrdením genetickej úlohy DNA, využíva sa aj na štúdium štruktúry chromozómov, štruktúry génov a je jednou z metód genetického inžinierstva.
Obr.7. 1. Schematické znázornenie Griffithsovho experimentu: a – myš, ktorej bola injikovaná kultúra patogénneho opuzdreného kmeňa S-pneumokokov; b – myš, ktorej bola injekčne podaná kultúra nepatogénneho nekapsulárneho R-mutanta, neuhynie; c – myš, ktorá dostala injekciu teplom usmrtenej kultúry kmeňa S, neuhynula; Myš, ktorá dostala zmes živej R-mutantnej kultúry a teplom usmrtenej kultúry S-kmeňa injekciou, zomrela.
Ešte jeden dôkazže nukleové kyseliny, a nie proteíny, sú materiálnym substrátom genetickej informácie, boli experimenty H. Frenkela-Konratha (1950) s vírusom tabakovej mozaiky (TMV).
Schéma pokusov H. Frenkela-Konratha
S objavom chemickej podstaty transformačných a transdukčných faktorov v baktériách a mechanizmov interakcie medzi vírusom a bunkou sa teda dokázala úloha nukleových kyselín pri prenose dedičnej informácie.
Štruktúra nukleovej kyseliny
Nukleové kyseliny sú polyméry, ktorých monoméry sú nukleotidy. Nukleotid obsahuje dusíkatú bázu, uhľohydrát pentózy a zvyšok kyseliny fosforečnej (obr. 7.2.).
| Dusíková báza |
| pentóza |
| 2" |
| 4" |
| 5" |
| 1 " |
| 3" |
Obr.7.2. Štruktúra nukleotidov
Dusíkaté bázy nukleotidov sa delia na dva typy: pyrimidín(pozostávajú z jedného 6-členného kruhu) a purín(pozostávajú z dvoch zlúčených 5- a 6-členných kruhov). Každý atóm uhlíka základných kruhov má svoje špecifické číslo, ale s prvočíslom (′). V nukleotide je dusíkatá báza vždy pripojená k prvému atómu sacharidu pentózy.
Práve dusíkaté bázy určujú jedinečnú štruktúru molekúl DNA a RNA. Nukleové kyseliny obsahujú 5 hlavných typov dusíkatých zásad (purín - adenín a guanín, pyrimidín - tymín, cytozín, uracil) a viac ako 50 vzácnych (atypických) zásad. Bázické dusíkaté zásady sú označené začiatočnými písmenami A, G, T, C, U. Nukleotidy sú pomenované podľa dusíkatých zásad, ktoré obsahujú (tabuľka 7.1.).
Tabuľka 7.1. Typy dusíkatých báz, nukleozidov a nukleotidov RNA a DNA
| Názvy dusíkatých zásad | Nukleozidy | Nukleotidy | Skrátené označenia nukleotidy | ||||
| Plný | Skrátené v ruštine. a anglicky.. | ||||||
| RNA | |||||||
| Purín: | |||||||
| adenín | (A; A) | adenozín | Kyselina adenová (adenozín-5"-fosfát) | AMF | |||
| guanín | (G; G) | Guanozín | Kyselina guanilová (guanozín 5"-fosfát") | GMF | |||
| Pyrimidín: | |||||||
| Cytozín | (C; C) | Cytidín | Kyselina cytidylová (cytidín 5"-fosfát) | CMF | |||
| uracil | (U; U) | uridín | Kyselina uridylová (uridín-5"-fosfát) | UMF | |||
| DNA | |||||||
| Purín: | |||||||
| adenín | (A, A) | Deoxy-adenozín | Kyselina deoxyadenylová (deoxyadenozín-5-fosfát) | dAMP | |||
| guanín | (G; G) | Deoxyguanozín | Kyselina deoxyguanylová (deoxyguanozín-5-fosfát) | dGMP | |||
| Pyrimidín: | |||||||
| Cytozín | (C; C) | deoxycytidín | Kyselina deoxycytidylová (deoxycytidín-5"-fosfát) | dCMF | |||
| Timin | (T; T) | tymidín | Kyselina tymidylová (tymidín-5"-fosfát) | TMF | |||
Prostredníctvom tvorby dochádza k tvorbe lineárneho polynukleotidového reťazca fosfodiesterová väzba pentózy jedného nukleotidu s fosfátom iného. Pentofosfátový hlavný reťazec pozostáva z (5'-3') väzieb. Koncový nukleotid na jednom konci reťazca má vždy voľnú 5′ skupinu a na druhom - 3′ skupinu.
Obr.7.3. Tvorba polypeptidových reťazcov molekúl DNA a RNA
V prírode existujú dva typy nukleových kyselín: DNA a RNA. V prokaryotických a eukaryotických organizmoch vykonávajú genetické funkcie oba typy nukleových kyselín. Vírusy obsahujú vždy len jeden typ nukleovej kyseliny.
Hlavné rozdiely medzi DNA a RNA sú uvedené v tabuľke 7.2.
Tabuľka 7.2 Charakteristiky nukleových kyselín
| Charakteristický | DNA | RNA |
| Štruktúra | Dvojitý helix | rôzne pre rôzne RNA |
| Počet okruhov | dva | jeden |
| Dusíkaté bázy v nukleotidoch | adenín (A), guanín (G), cytozín (C), tymín (T) | adenín (A), guanín (G), cytozín (C), uracil (U) |
| Monosacharidy v nukleotidoch | deoxyribóza | ribóza |
| Metóda syntézy | Zdvojnásobenie podľa princípu komplementarity. Každá nová dvojitá špirála obsahuje jedno staré a jedno nové syntetizované vlákno | Syntéza templátov založená na princípe komplementarity na jednom z reťazcov DNA |
| Funkcie | Zachovanie a prenos genetických informácií v priebehu generácií | Podieľa sa na syntéze bielkovín; m-RNA (matrix) – prenáša informácie o štruktúre proteínu z DNA do miesta jeho syntézy; r-RNA (ribozomálna) - časť štruktúry ribozómov, na ktorej sa syntetizuje proteín; t-RNA (transport) – transportuje molekuly aminokyselín do ribozómov. |
DNA
dusíkatá báza:
adenín, guanín, tymín , cytozín
sacharidov: deoxyribóza C5H1004
zvyšok kyseliny fosforečnej
RNA
dusíkatá báza:
adenín, guanín, tymín, uracil
uhľohydráty: ribóza C5H1005
zvyšok kyseliny fosforečnej
Kyselina deoxyribonukleová (DNA)
V roku 1951 E. Chargaf sformuloval pravidlá zloženia nukleotidov DNA:
1. Bunky rôznych tkanív tela majú rovnaké nukleotidové zloženie DNA.
2. Organizmy rovnakého druhu majú rozdielne zloženie nukleotidov.
3. V molekule DNA A=T a G=C zasa A+G = T+C. Pre každý typ organizmu je pomer A + G / T + C špecifický (u ľudí je tento pomer 1,52).
Tieto pravidlá sa stali kľúčom k odomknutiu makromolekulárnej štruktúry DNA.
Štruktúru molekuly DNA prvýkrát rozlúštili J. Watson a F. Crick v roku 1953. Podľa ich modelu pozostáva DNA z dvoch polynukleotidových reťazcov, navzájom špirálovito stočených.
Monoméry týchto reťazcov sú nukleotidy. Nukleotidy sa spájajú do reťazca vytvorením fosfodiesterových (kovalentných) väzieb medzi deoxyribózou jedného nukleotidu a zvyškom kyseliny fosforečnej iného, susedného nukleotidu (obr. 7.4.).
Dva polynukleotidové reťazce sú spojené do molekuly DNA pomocou vodíkových väzieb medzi dusíkatými bázami nukleotidov rôznych reťazcov. Dusíkaté bázy sú spojené podľa princípu komplementarity. (adenín sa spája s tymínom pomocou dvoch vodíkových väzieb a guanín sa spája s cytozínom pomocou troch)
Obr.7.4. Princíp komplementarity
Princíp komplementarity je jedným zo základných zákonov živej prírody, ktorý určuje mechanizmus prenosu dedičnej informácie.
Polynukleotidové reťazce jednej molekuly sú antiparalelné, t.j. Oproti 3′ koncu jednej reťaze je 5′ koniec druhej reťaze.
Hoci v molekule DNA sú iba 4 typy rôznych nukleotidov, vďaka ich rôznym sekvenciám a obrovskému počtu v polypeptidovom reťazci sa dosiahne neuveriteľná rozmanitosť molekúl DNA.
Porušenie sekvencie nukleotidov v reťazci DNA vedie k dedičným zmenám v ľudskom tele - mutáciám. DNA sa pri delení buniek presne reprodukuje, čo zabezpečuje prenos dedičných charakteristík a vlastností cez množstvo generácií a buniek.
Objav dvojitej špirály DNA bol jednou z najpozoruhodnejších udalostí v histórii biológie. Len o päť rokov neskôr bolo získané prvé experimentálne potvrdenie modelu DNA v prácach M. Meselsona a F. Stahla. Po týchto objavoch prišiel čas na nebývalý pokrok v pochopení najväčšieho tajomstva prírody – implementácie dedičnej informácie. Začala sa éra molekulárnej biológie.
Druhová špecifickosť DNA
Zástupcovia rôznych druhov sa líšia pomerom (A + T) a (G + C). U zvierat prevláda u mikroorganizmov pár A+T, pomer (A+T) a (G+C) je rovnaký. Toto je druhová špecifickosť DNA. Tento ukazovateľ sa používa ako jedno z genetických kritérií na určenie druhu.
Štrukturálne úrovne DNA
DNA sa delí na primárne, sekundárne a terciárne štruktúry.
Primárna štruktúra je sekvencia nukleotidov v polynukleotidovom reťazci.
Sekundárna štruktúra je dvojitá špirála polynukleotidových reťazcov spojených vodíkovými väzbami.
Existuje niekoľko typov závitníc DNA. Za normálnych fyziologických podmienok je najbežnejšou pravotočivou špirálou B-forma. Toto je štandardná Watson-Crickova štruktúra. Priemer špirály je 2 nm, stúpanie špirály je 3,4 nm, každá otáčka špirály obsahuje 10 párov báz.
Spolu s B-formou boli nájdené úseky DNA, ktoré majú odlišnú konfiguráciu, a to ako pravotočivé (A- a C-formy), tak aj ľavotočivé (Z-forma).
A-forma - plná otáčka špirály je 2,8 2,8 nm, jedna otáčka má 11 párov dusíkatých báz. DNA v tejto forme funguje ako templát počas replikácie.
Forma C má 9 párov báz na otáčku špirály. Forma Ζ je ľavotočivá špirála, ktorá má 12 párov báz na otáčku. Písmeno Z označuje cik-cak tvar cukrovo-fosfátovej kostry DNA. V bunke je DNA zvyčajne v B-forme, ale jednotlivé úseky môžu byť v A-Z - alebo dokonca v inej konfigurácii v dôsledku supercoilingu DNA. Konformácia molekúl DNA závisí od podmienok a je jednou z pák vplyvu na fungovanie génov.
terciárna štruktúra - Toto trojrozmerný superhelix DNA je charakteristický pre eukaryotické chromozómy a je spôsobený interakciou DNA s jadrovými proteínmi. Vo väčšine prokaryotov, niektorých vírusov, ako aj v mitochondriách a chloroplastoch eukaryotov nie je DNA spojená s proteínmi.
Hlavnými vlastnosťami DNA sú jej schopnosť replikácie a opravy
replikácia DNA
Replikácia (autoreprodukcia, autosyntéza, reduplikácia) je zdvojenie molekúl DNA za účasti špeciálnych enzýmov. Vyskytuje sa pred každým jadrovým delením v S-perióde interfázy. Reduplikácia zabezpečuje presný prenos genetickej informácie obsiahnutej v molekulách DNA z generácie na generáciu.
Obrovské molekuly DNA eukaryotov majú veľa replikačných miest - replikónov, zatiaľ čo relatívne malé kruhové molekuly DNA prokaryotov predstavujú každý jeden replikón. Polyreplikatívna povaha obrovských molekúl DNA eukaryotov umožňuje replikáciu bez súčasného odvíjania celej molekuly. Inak, vo všeobecnosti, replikačné procesy prokaryotov a eukaryotov sú veľmi podobné.
Proces replikácie DNA v replikóne prebieha v 3 fázach, ktoré zahŕňajú niekoľko rôznych enzýmov.
Prvé štádium. Replikácia DNA začína z lokálneho miesta, kde sa dvojzávitnica DNA (pôsobením enzýmov DNA helikáza, DNA topoizomeráza atď.) rozvinie, vodíkové väzby sa prerušia a reťazce sa rozídu. V dôsledku toho vznikla štruktúra tzv replikačná vidlica(obr. 7.5).
Obr.7.5. Schéma replikácie DNA
V druhej fáze Dochádza k typickej matricovej syntéze. Voľné nukleotidy sa pridávajú k vytvoreným voľným väzbám na reťazcoch materskej DNA podľa princípu komplementarity (A-T, G-C). Tento proces prebieha pozdĺž celej molekuly DNA. Pre každú dcérsku molekulu DNA jedno vlákno pochádza z materskej molekuly a druhé je novo syntetizované. Tento replikačný model sa nazýva polokonzervatívne. Túto fázu uskutočňuje enzým DNA polymeráza (známych je niekoľko druhov).
Syntéza prebieha odlišne na dvoch materských vláknach. Keďže syntéza je možná len v smere 5′ - 3′, na jednom vlákne prebieha rýchla syntéza a na druhom vlákne pomalá syntéza v krátkych fragmentoch 1000-2000 nukleotidov. Nazývajú sa na počesť R. Okazakiho, ktorý ich objavil. fragmenty Okazaki. Okazakiho fragmenty sú tvorené na báze RNA primerov (RNA primery), ktoré sú syntetizované pomocou špeciálneho enzýmu RNA primase. Po vykonaní svojej funkcie sa RNA primér odstráni a DNA ligáza spojí fragmenty Okazaki a obnoví primárnu štruktúru DNA.
V tretej etapeŠpirála je skrútená a sekundárna štruktúra DNA je obnovená pomocou DNA gyrázy.
Väčšina enzýmov zapojených do replikácie DNA funguje v multienzýmovom komplexe spojenom s DNA. To umožňuje, aby replikácia prebiehala obrovskou rýchlosťou (u prokaryotov - asi 3000 nukleotidových párov (bp) za sekundu, u eukaryotov - 100-300 bp za sekundu).
Dve nové molekuly DNA sú presnými kópiami pôvodnej molekuly (obr. 7.6)
Obr.7.6. A – replikácia DNA; B- syntéza DNA
Ak sa počas replikácie objaví chybný nukleotid v rastúcom reťazci DNA, potom sa v tejto situácii aktivuje samoopravný mechanizmus. Samokorekcia DNA zahŕňa opravu chýb, ktoré sa vyskytujú počas syntézy nukleovej kyseliny pomocou enzýmu DNA polymerázy (alebo blízko príbuzného enzýmu, redukujúceho endonukleázu).
oprava DNA
Reparácia (z lat. reparácia - obnova)– proces obnovy primárnej štruktúry DNA poškodenej v dôsledku vystavenia mutagénnym faktorom.
Bunky majú rôzne „opravné“ systémy, ktoré opravujú poškodenie DNA spôsobené žiarením alebo chemickými faktormi. Zvyčajne sa berú do úvahy tri hlavné typy opráv:
· fotooprava (fotoreaktivácia);
· oprava excízie;
· postreplikatívna oprava.
Najlepšie preskúmaná je oprava škôd spôsobených ultrafialovými lúčmi. Pri vystavení ultrafialovému svetlu sa medzi susednými pyrimidínovými bázami toho istého reťazca DNA objavia diméry. Najčastejšie sa používa T-T dimér, t.j. namiesto vodíkových väzieb medzi T a A dvoch nukleotidových reťazcov sa v rámci jedného reťazca vytvárajú väzby T-T (obr. 7.7).
Fotooprava vzniká pri vystavení viditeľnému svetlu. Zároveň enzým DNA fotoligáza rozdeľuje dimér na monoméry a opäť obnovuje T-A vodíkové väzby medzi komplementárnymi reťazcami
Excízia a postreplikačná reparácia nezávisí od svetla, a preto je tzv tmavá oprava .
Oprava excíziespočíva v rozpoznaní poškodenia DNA, vyrezaní (vyrezaní) poškodenej oblasti a syntéze a vložení nového fragmentu.
Vyskytuje sa v 4 fázach:
1. Endonukleáza rozpozná poškodenú oblasť a preruší reťazec DNA vedľa nej.
2. Exonukleáza „vyreže“ poškodenú oblasť
3. DNA polymeráza založená na intaktnom reťazci, ktorý slúži ako templát, syntetizuje nový fragment podľa princípu komplementarity.
4. Ligáza spája voľné konce starej časti reťazca s koncami novosyntetizovaného fragmentu.
Obrázok 7.7. Reparačné procesy. A. Oprava excízie (na príklade Escherichia coli). B. Postreplikatívna oprava. V prezentovanom príklade sa zlom v jednej molekule DNA uzavrie opravou SOS a dôjde k mutácii (M). V druhej molekule DNA môže dôjsť k prerušeniu; je tiež vyplnená opravou SOS alebo uzavretá rekombináciou s následnou opravnou syntézou, pri ktorej ako templát slúži intaktné vlákno DNA. (Podľa Böhme, Adler, s úpravami.)
Postreplikačná oprava zapína v prípadoch, keď nie je eliminované poškodenie DNA, ku ktorému došlo pred jej replikáciou.
Ak sa diméry neodstránia, potom zodpovedajúce bázy nebudú schopné pôsobiť ako templát a na týchto miestach sa v novosyntetizovanej DNA objavia medzery (prestávky). Výmenou fragmentov (rekombináciou) medzi dvoma dvojvláknami DNA môžu produkty replikácie vytvoriť jedno normálne dvojvlákno (postreplikatívna oprava).
Ak je poškodenie DNA tak blízko seba, že sa medzery prekrývajú, aktivuje sa ďalší „opravný“ systém, ktorý medzery vyplní - SOS oprava , schopný syntetizovať nový reťazec DNA na defektnom templáte. Pri tomto replikačnom systéme sa často vyskytujú chyby a mutácie .
Bunkové reparačné systémy hrajú dôležitú úlohu pri udržiavaní genetickej homeostázy, štrukturálnej a funkčnej stability živých systémov .
Ribonukleové kyseliny
Ribonukleová kyselina je biopolymér, ktorý pozostáva primárne z jedného polynukleotidového reťazca. Štruktúra nukleotidov v RNA je podobná štruktúre DNA, existujú však nasledujúce rozdiely :
1. Namiesto deoxyribózy obsahujú nukleotidy RNA ribózu;
2. Namiesto dusíkatej bázy tymín - uracil.
V bunke existuje niekoľko typov RNA, ktoré sa líšia veľkosťou molekuly, štruktúrou, umiestnením v bunke a funkciami.
Messenger RNA – mRNA (mRNA) Syntetizuje sa na úseku jedného z reťazcov molekuly DNA a prenáša informácie o štruktúre proteínu z bunkového jadra do ribozómov. Skladá sa z 300-3000 (iní autori uvádzajú 300-30000) nukleotidov a tvorí 3-5% celkovej RNA bunky.
Podobne ako molekula DNA má sekundárne a terciárne štruktúry, ktoré sa tvoria vodíkovými väzbami, hydrofóbnymi a elektrostatickými interakciami.
Ribozomálna RNA (rRNA) tvorí 80-85% celkovej RNA bunky. Obsahuje 3000-5000 nukleotidov. Časť ribozómov. Predpokladá sa, že rRNA poskytuje určité priestorové usporiadanie mRNA a tRNA počas syntézy proteínov. Informácie o štruktúre rRNA sú obsiahnuté v oblasti sekundárnej chromozómovej konstrikcie.
Transfer RNA (tRNA) pozostáva zo 70-80 nukleotidov a tvorí 10-15% celkovej RNA bunky. Funkciou tRNA je prenos aminokyselín z cytoplazmy do miesta syntézy proteínov v ribozómoch. Molekuly tRNA majú charakteristickú sekundárnu štruktúru tzv ďatelinový (obr. 7.8).
Trojrozmerný model tRNA má kompaktný tvar podobný L. V tRNA sú štyri slučky: akceptorová slučka (slúži ako miesto na pripojenie aminokyseliny), antikodónová slučka (rozpoznáva kodóny v mRNA) a dve bočné slučky.
Obr.7.8. Štruktúra tRNA
Heterogénna jadrová RNA– hya-RNA. Je to prekurzor mRNA v eukaryotoch a v dôsledku spracovania sa premieňa na mRNA. Typicky je hn-RNA oveľa dlhšia ako i-RNA.
Malá jadrová RNA – snRNA. Podieľa sa na procese transformácie hRNA.
RNA primer – drobná RNA (zvyčajne 10 nukleotidov) zapojená do procesu replikácie DNA.
Biologická úloha RNA spočíva v uchovaní, implementácii, prenose dedičnej informácie a zabezpečení biosyntézy bielkovín.
Kyselina adenozíntrifosforečná (ATP)
ATP je mononukleotid pozostávajúci z dusíkatej bázy adenínu, monosacharidu ribózy a troch zvyškov kyseliny fosforečnej (obr. 7.9). Zvyšky kyseliny fosforečnej sú navzájom spojené vysokoenergetickými väzbami. Keď je potrebná energia, ATP sa rozkladá za vzniku kyseliny adenozíndifosforečnej (ADP) a zvyšku fosforu. Tým sa uvoľňuje energia.
ATP + H20 = ADP + H3PO4 + 40 kJ
ADP sa môže tiež rozložiť za vzniku AMP (kyselina adenozínmonofosforečná) a zvyšku kyseliny fosforečnej.
ADP + H20 = AMP + H3P04 + 40 kJ
Obr.7.9. Schéma štruktúry ATP a jeho premena na ADP
K reverzným reakciám premeny AMP na ADP a ADP na ATP dochádza pri absorpcii energie v procese energetického metabolizmu a fotosyntézy.
ATP je univerzálnym zdrojom energie pre všetky procesy v živote živých organizmov.
Nukleové kyseliny sú lineárne, nerozvetvené heteropolyméry, ktorých monoméry sú nukleotidy spojené fosfodiesterovými väzbami.
Nukleotidy sú organické látky, ktorých molekuly pozostávajú z pentózového zvyšku (ribózy alebo deoxyribózy), ku ktorému je kovalentne pripojený zvyšok kyseliny fosforečnej a dusíkatej bázy. Dusíkaté bázy v nukleotidoch sú rozdelené do dvoch skupín: purín (adenín a guanín) a pyrimidín (cytozín, tymín a uracil). Deoxyribonukleotidy zahŕňajú deoxyribózu a jednu z dusíkatých báz: adenín (A), guanín (G), tymín (T), cytozín (C). Ribonukleotidy zahŕňajú ribózu a jednu z dusíkatých báz: adenín (A), guanín (G), uracil (U), cytozín (C).
V niektorých prípadoch sa v bunkách nachádzajú rôzne deriváty uvedených dusíkatých báz - minoritné bázy, ktoré sú súčasťou minoritných nukleotidov.
Nukleové kyseliny
Existujú dva typy nukleových kyselín: DNA (deoxyribonukleová kyselina) a RNA (ribonukleová kyselina). Nukleové kyseliny zabezpečujú uchovávanie, reprodukciu a implementáciu genetickej (dedičnej) informácie. Táto informácia sa odráža (kóduje) vo forme nukleotidových sekvencií. Najmä nukleotidová sekvencia odráža primárnu štruktúru proteínov (pozri nižšie). Zhoda medzi aminokyselinami a nukleotidovými sekvenciami, ktoré ich kódujú, sa nazýva genetický kód. Jednotkou genetického kódu DNA a RNA je triplet – sekvencia troch nukleotidov.
Nukleové kyseliny sú chemicky aktívne látky. S proteínmi tvoria rôzne zlúčeniny – nukleoproteíny, alebo nukleoproteíny.
Deoxyribonukleová kyselina (DNA) je nukleová kyselina, ktorej monoméry sú deoxyribonukleotidy. DNA je primárnym nosičom dedičnej informácie. To znamená, že všetky informácie o štruktúre, fungovaní a vývoji jednotlivých buniek a celého organizmu sú zaznamenané vo forme sekvencií nukleotidov DNA.
Reakcie, v ktorých jedna heteropolymérna molekula slúži ako templát (forma) pre syntézu inej heteropolymérnej molekuly s komplementárnou štruktúrou, sa nazývajú reakcie templátového typu. Ak sa počas reakcie vytvoria molekuly tej istej látky, ktoré slúžia ako matrica, potom sa reakcia nazýva autokatalytická. Ak sa počas reakcie na matrici jednej látky vytvoria molekuly inej látky, potom sa takáto reakcia nazýva heterokatalytická. Replikácia DNA (t. j. syntéza DNA na templáte DNA) je teda autokatalytická templátová syntézna reakcia.
Ribonukleová kyselina (RNA) je nukleová kyselina, ktorej monoméry sú ribonukleotidy.
V rámci jednej molekuly RNA je niekoľko oblastí, ktoré sa navzájom dopĺňajú. Medzi týmito komplementárnymi oblasťami sa vytvárajú vodíkové väzby. V dôsledku toho sa v jednej molekule RNA striedajú dvojvláknové a jednovláknové štruktúry a celková konformácia molekuly pripomína ďatelinový list na stopke.
Dusíkaté bázy, ktoré tvoria RNA, sú schopné vytvárať vodíkové väzby s komplementárnymi bázami v DNA aj RNA. V tomto prípade dusíkaté bázy tvoria páry A=U, A=T a G≡C. Vďaka tomu je možné preniesť informácie z DNA do RNA, z RNA do DNA a z RNA do proteínov.
V bunkách sa nachádzajú tri hlavné typy RNA, ktoré vykonávajú rôzne funkcie:
1. Informačná alebo messenger RNA (mRNA alebo mRNA). Tvorí 5 % bunkovej RNA. Slúži na prenos genetickej informácie z DNA do ribozómov počas biosyntézy bielkovín. V eukaryotických bunkách je mRNA (mRNA) stabilizovaná špecifickými proteínmi. To umožňuje pokračovať v biosyntéze proteínov, aj keď je jadro neaktívne.
2. Ribozomálna alebo ribozomálna RNA (rRNA). Tvorí 85 % bunkovej RNA. Je súčasťou ribozómov, určuje tvar veľkej a malej ribozomálnej podjednotky a zabezpečuje kontakt ribozómu s inými typmi RNA.
3. Preneste RNA (tRNA). Tvorí 10 % bunkovej RNA. Transportuje aminokyseliny na zodpovedajúce miesto mRNA v ribozómoch. Každý typ tRNA transportuje špecifickú aminokyselinu.
V bunkách sú aj iné typy RNA, ktoré vykonávajú pomocné funkcie.
Všetky typy RNA sa tvoria ako výsledok reakcií syntézy templátu. Vo väčšine prípadov jeden z reťazcov DNA slúži ako templát. Syntéza RNA na templáte DNA je teda heterokatalytická reakcia templátového typu. Tento proces sa nazýva transkripcia a riadia ho určité enzýmy – RNA polymerázy (transkriptázy).
19. Synergetika vznikla ako pokus nájsť alternatívy k existujúcim koncepciám rozvoja, ktoré vyčerpali svoje možnosti pri vysvetľovaní vzniku a vývoja zložitých systémov.
Počiatočným konceptom synergetiky je koncept chaosu. Chaos sa tradične považuje za deštruktívny princíp, ktorý treba nariadiť. Synergetika verí, že v chaose sa skrýva zdroj rozvoja, ktorý môže viesť ku konštruktívnym výsledkom.
Synergetika na rozdiel od iných koncepcií rozvoja vracia koncept náhody do lona teórie a rehabilituje ho. Ak sa v dialektickom koncepte a v klasickom evolucionizme náhodnosť považovala za sekundárny a nedôležitý faktor, ktorý sa časom zabudol a vymazal, potom synergetika pozdvihuje náhodnosť na úroveň nevyhnutnosti.
Stavy ako nestabilita a narušená rovnováha deklaruje aj synergetika ako normálny a prirodzený stav.
Klasické koncepty chápu vývoj ako progresívne a nesporné hnutie. Vývoj podlieha prísnemu zákonu kauzality. Pomocou kauzálnych reťazcov je možné vypočítať priebeh vývoja do minulosti aj do budúcnosti. Vývoj je retroaktívny a predvídateľný. Prítomnosť je určená minulosťou a budúcnosť prítomnosťou.
Ale jeden z popredných teoretikov v oblasti synergetiky, I. Prigogine, zdôvodňuje názor, že myšlienka nestability výrazne vytláča myšlienku determinizmu. Umožnil zaradiť ľudskú činnosť do zorného poľa prírodovedy. A pojmy ako nestabilita a nepredvídateľnosť začali hrať dôležitú úlohu pri prekonávaní nejednotnosti, ktorá medzi spoločenskými a prírodnými vedami vždy existovala.
Myšlienka nestability znamená, že trajektórie mnohých systémov sú nestabilné a nemôžeme predpovedať ich vývoj na dlhé obdobie. I. Prigogine nazýva tieto intervaly „časové exponenciálne“ a hovorí, že po prechode na nový interval môže informácia o predchádzajúcom zmiznúť. Naše poznanie je len malým okienkom do vesmíru a kvôli nestabilite sveta by sme sa mali vzdať aj sna o komplexnom poznaní. Pri pohľade cez toto okno môžeme samozrejme extrapolovať existujúce poznatky za hranice našej vízie a špekulovať o tom, aký by mohol byť mechanizmus, ktorý riadi dynamiku vesmíru, ale nič viac.
V tradičnom obraze sveta podmienenosti neexistuje žiadne riziko, pretože priebeh udalostí je jednovariantný a predvídateľný. Synergetika postuluje mnohorozmernú víziu sveta, ktorá odhaľuje ľudstvu možnosť voľby s mierou zodpovednosti za túto voľbu. Základné myšlienky synergetiky:
„z chaosu môže vzniknúť nová štrukturálne organizovaná istota s novým vektorom jej vývoja; ¦komplexne organizované a samoorganizujúce sa systémy sa nemôžu rozvíjať podľa striktne definovaných zákonitostí, pretože v nich zohrávajú veľkú úlohu momenty spontánnosti a náhody; deklarujúc sa v bode „rozdvojenia“. Pre zložité systémy existuje niekoľko alternatívnych ciest vývoja. Evolučná cesta nie je jediná;
Synergetika je metóda aj veda riadenia zložitých systémov. Hlavnou pákou tohto ovládania nie je sila, ale správny smer, „architektúra“ vplyvu na komplexné prostredie.
Rôzne aspekty skúmaného rozvojového problému dávajú dôvod na tvrdenie, že rozvoj je zvláštnym typom zmeny, vďaka ktorej sme dostali svet, v ktorom žijeme. Rozmanitosť prírodných a spoločenských javov nebola spočiatku daná, ale objavila sa v dôsledku vývoja určitého počiatočného počtu druhov a foriem. Preto nie je možné chápať svet mimo kontextu vývoja, ale samotný proces vývoja je čoraz zložitejší a komplexnejší a je takmer nemožné ho vysvetliť na základe jedného teoretického modelu.
Moderní biológovia a antropológovia, ako sme už uviedli, veria, že biologická evolúcia človeka ako druhu, teda jeho speciácie, sa od objavenia sa Homo sapiens zastavila. V tejto súvislosti vyvstáva otázka o budúcom smerovaní vývoja človeka ako biologického druhu. Pri odpovedi na túto otázku niekedy zaznieva názor, že degradáciou genómu (program genetického vývoja) postupne vymrú všetky druhy živočíchov a rastlín. Podľa väčšiny vedcov nie je v tomto prípade hlavným nebezpečenstvom starnutie druhu, ale zvyšujúce sa znečistenie biosféry rôznymi druhmi odpadu.
Vďaka svojim kmeňovým vlastnostiam musí človek bojovať s prírodou. Ale v tomto boji nemôže byť víťazov, pretože človek je súčasťou biosféry a ničením prírody ničí sám seba bez toho, aby si to všimol, rovnako ako nevníma rádioaktívne žiarenie.
Všetky tieto problémy sú dôležité predovšetkým preto, že zdravý človek je slobodný vo svojom konaní, v uspokojovaní svojich materiálnych a duchovných potrieb (v rámci možností, ktoré mu spoločnosť dáva). Choroba obmedzuje ľudskú slobodu a k spoločenským obmedzeniam konania človeka pridáva rámec jeho vlastného tela. Preto postoj človeka k jeho telu nemôže byť len postojom k nejakej prirodzenej, prirodzenej objektivite – človek sa stretáva s nevyhnutnosťou, jej jazykom a silou. A táto sila, vtlačená do telesnej organizácie človeka, je obzvlášť krutá a nevyhnutná. Takmer každý človek mal možnosť si to overiť – stačí si spomenúť na pocit absolútnej bezmocnosti, ktorý človeka zahalí vo chvíľach dosť vážnej choroby.
Môžeme povedať, že telesnosť pôsobí ako prúd života, ako životná aktivita človeka ako celku. A telo je statický aspekt telesnosti, ktorého sa človek nikdy nezbaví, kým žije. Veď počatím je človek proti svojej vôli uvrhnutý do prúdu života. Okamih smrti tiež prichádza na rad, bez ohľadu na túžby človeka. Každá etapa zmien súvisiacich s vekom núti človeka do novej životnej situácie.
Ukazuje sa teda, že problémy telesnosti, fungovania ľudského tela sú dôležitou súčasťou obrazu sveta, ako aj predmetom medicíny - vedy, ktorá študuje príčiny ľudských chorôb, zákonitosti ich vývoja. , spôsoby ich rozpoznávania a liečby, ako aj formy optimálnej organizácie lekárskej starostlivosti obyvateľstvu .
Prirodzene, medicína nebola vždy vedou, ale vždy existovala ako súčasť ľudskej kultúry, zaoberajúca sa problémami ľudského zdravia. Ako súčasť kultúry určitých ľudí a určitej doby, medicína vysvetľovala príčiny chorôb rôznymi spôsobmi v rôznych časoch a odporúčala rôzne metódy ich liečby.
Reštrukturalizáciou prechádza aj aparát psycho-emocionálnej adaptácie. Tu nadobúda najmä motorizácia modernej výroby a každodenného života, saturácia života technikou, hluk, zrýchlenie životných rytmov, prudký nárast počtu medziľudských kontaktov, často s negatívnym, patogénnym psycho-emocionálnym nábojom. dôležitosti.
Všetky vyššie uvedené faktory v konečnom dôsledku priamo určujú vývoj chorôb, zmeny ich závažnosti, symptómov a charakteru komplikácií, vedú k vymiznutiu starých chorôb a vzniku nových a dramaticky menia povahu chorobnosti. Choroby, pri ktorých výskyte zohrávajú hlavnú úlohu psycho-emocionálne faktory, sú v súčasnosti rozšírené. Zvyšujúca sa socializácia života moderného človeka ovplyvňuje jeho somatickú (telesnú) patológiu. Faktory ako povolanie, postoj človeka k práci, atmosféra produkčného tímu majú významný vplyv na stav jeho somatického a duševného zdravia.
V rôznych štádiách sociálnej a ekonomickej zrelosti spoločnosti nie sú požiadavky na úroveň neuropsychických, svalových a fyzických nákladov rovnaké. V podmienkach vedecko-technickej revolúcie sa čoraz viac zvyšujú nároky na neuropsychické mechanizmy človeka.
S prechodom z jedného štádia sociálneho vývoja do druhého sa psycho-emocionálne vzťahy ľudí stávajú čoraz komplikovanejšími. Všetky kanály emocionálneho spojenia sú teraz naplnené až na doraz a niekedy preťažené. Ľudský nervový systém je vystavený neustálemu, stále narastajúcemu emocionálnemu a duševnému „bombardovaniu“, od zdravých, tonických až po negatívne, dokonca patogénne emócie. Zvyšuje sa životné tempo, skracuje sa zastarávanie techniky, niektoré profesie zastarávajú, zrýchľuje sa rozvoj vedy, techniky, kultúry a pod. To všetko kladie nové, zvýšené nároky na vnútorné zdroje človeka, ktorých dôležitou súčasťou je duševné zdravie a emocionálna rovnováha.
Ak je moderná etapa sociálneho rozvoja charakterizovaná zrýchlením tempa života vo všetkých sférach, potom sa rýchlosť psychofyziologických a somatických reakcií tela často ukáže ako príliš pomalá a zaostáva za rytmami spoločenského a priemyselného života. , a sociálno-biologická arytmia vzniká ako všeobecný predpoklad vzniku mnohých ochorení.
Preto je prirodzené, že zdravotný stav obyvateľov krajiny sa každým rokom zhoršuje. V posledných rokoch má napríklad zdravotné problémy 70 percent moderných žien. Podiel novorodencov s telesnými a neurologickými poruchami sa zvýšil na 20 percent. Najdôležitejším ukazovateľom verejného zdravia a sociálneho blahobytu spoločnosti je dojčenská úmrtnosť. V Rusku sa toto číslo za posledných 5 rokov zvýšilo o 15 percent.
Nemenej deprimujúce sú ukazovatele vplyvu niektorých zložiek životného prostredia na ľudské zdravie. Je teda spoľahlivo známe, že znečistenie ovzdušia spôsobuje ochorenia dýchacieho systému, krvného obehu, trávenia atď. Okrem toho je najdôležitejším dôvodom hromadenia mutácií v tele, ktoré ovplyvňujú ľudský genotyp.
Približne 85 percent chorôb spôsobuje a prenáša voda. Choroby sú spôsobené predovšetkým zlou kvalitou vody, ktorá obsahuje rôzne toxické zlúčeniny ťažkých kovov, škodlivé organické nečistoty a baktérie. Čím vyššia je nasýtenosť vody soľami, tým vyššie je riziko vzniku aterosklerózy, mŕtvice, srdcového infarktu atď. Chlór veľmi poškodzuje naše zdravie. Aj keď chlórovanie vody šetrí pred infekciami, jej deriváty pomaly a isto podkopávajú zdravie, pretože majú karcinogénny mutagénny účinok. Môžu ovplyvniť dedičnosť, mnohé z nich sú silné pečeňové jedy atď.
V kontexte urýchľujúcich sa environmentálnych transformácií a ich zvyšujúceho sa vplyvu na verejné zdravie má mimoriadny význam štúdium sociogenetických problémov biosféry a ľudského zdravia.
Nukleové kyseliny– fosfor obsahujúce biopolyméry živých organizmov zabezpečujúce uchovávanie a prenos dedičných informácií. Objavil ich v roku 1869 švajčiarsky chemik F. Miescher v jadrách leukocytov. Následne boli nukleové kyseliny nájdené vo všetkých rastlinných a živočíšnych bunkách, baktériách, vírusoch a hubách.
V prírode existujú dva typy nukleových kyselín - kyselina deoxyribonukleová (DNA) a kyselina ribonukleová (RNA) Rozdiel v názvoch sa vysvetľuje tým, že molekula DNA obsahuje päťuhlíkový cukor deoxyribózu a molekula RNA obsahuje ribózu. . V súčasnosti je známe veľké množstvo odrôd DNA a RNA, ktoré sa navzájom líšia. Podľa štruktúry a významu v metabolizme.
DNA je lokalizovaná predovšetkým v chromozómoch bunkového jadra (99 % všetkej bunkovej DNA), ako aj v mitochondriách a chloroplastoch. RNA je okrem jadra súčasťou ribozómov, cytoplazmy, plastidov a mitochondrií.
Nukleové kyseliny sú komplexné biopolyméry, ktorých monoméry sú nukleotidy. Každý nukleotid obsahuje päťuhlíkový cukor (ribózu alebo deoxyribózu), dusíkatú bázu a zvyšok kyseliny fosforečnej.
Existuje päť hlavných dusíkatých báz: adenín, guanín, uracil, tymín a cytozín. Prvé dva sú purínové - ich molekuly pozostávajú z dvoch vzájomne prepojených kruhov. Ďalšie tri sú pyrimidíny a majú jeden šesťčlenný kruh.
Názvy nukleotidov pochádzajú z názvov zodpovedajúcich dusíkatých báz; oba sú označené veľkými písmenami: adenín - adenylát (A), guanín - guanylát (G), cytozín - cytidylát (C), uracil - uridylát (U), tymín - deoxytymylát (T).
Počet nukleotidov v molekule nukleovej kyseliny je rôzny – od 80 v molekulách transferovej RNA až po niekoľko desiatok miliónov v DNA.
Molekula DNA je dvojvláknová špirála skrútená okolo vlastnej osi.
V polynukleotidovom reťazci sú susedné nukleotidy navzájom spojené kovalentnými väzbami, ktoré sa tvoria medzi fosfátovou skupinou jedného nukleotidu a 3'-alkoholovou skupinou pentózy druhého nukleotidu. Takéto väzby sa nazývajú fosfodiesterové väzby. Fosfátová skupina tvorí mostík medzi 3' uhlíkom jedného pentózového kruhu a 5' uhlíkom ďalšieho.
Kostra reťazcov DNA je teda tvorená cukrovofosfátovými zvyškami.
Polynukleotidový reťazec DNA je skrútený vo forme špirály pripomínajúcej točité schodisko a je spojený s ďalším reťazcom, ktorý je k nemu komplementárny pomocou vodíkových väzieb vytvorených medzi adenínom a tymínom (dve väzby), ako aj guanínom a cytozínom ( tri väzby). Nukleotidy A a T, G a C sa nazývajú komplementárne. Výsledkom je, že v akomkoľvek organizme sa počet adenylových nukleotidov rovná počtu tymidylových nukleotidov a počet guanylových nukleotidov sa rovná počtu cytidylových nukleotidov. Tento vzor sa nazýva „Chargaffovo pravidlo“. Vďaka tejto vlastnosti poradie nukleotidov v jednom reťazci určuje ich poradie v druhom reťazci. Táto schopnosť selektívne kombinovať nukleotidy sa nazýva komplementárnosť a táto vlastnosť je základom tvorby nových molekúl DNA na základe pôvodnej molekuly.
Reťazce v molekule DNA sú orientované opačne, t.j. ak jeden reťazec má smer od 3' konca k 5' koncu, potom v druhom reťazci 3' koniec zodpovedá 5' koncu a naopak. Táto vlastnosť cievky DNA sa nazýva antiparalelnosť.
Dvojvláknový model molekuly DNA prvýkrát navrhli v roku 1953 americký vedec J. Watson a Angličan F. Crick. Skombinoval údaje E. Chargaffa o pomere purínových a pyrimidínových báz molekúl DNA a výsledky röntgenovej difrakčnej analýzy získané M. Wilkinsom a R. Franklinom. Za vývoj dvojvláknového modelu molekuly DNA získali Watson, Crick a Wilkins v roku 1962 Nobelovu cenu.
DNA je najväčšia biologická molekula. Ich dĺžka sa pohybuje od 0,25 mm - u niektorých baktérií - do 40 mm - u ľudí. Toto je výrazne väčšie ako najväčšia molekula proteínu, ktorá po rozložení nedosahuje viac ako 100-200 nm. Hmotnosť molekuly DNA je 6 ∙ 10 -12 g.
Priemer molekuly DNA je 2 nm, stúpanie špirály je 3,4 nm; Každý závit špirály obsahuje 10 párov nukleotidov. Špirálová štruktúra je udržiavaná početnými vodíkovými väzbami vyskytujúcimi sa medzi komplementárnymi dusíkatými bázami a hydrofóbnymi interakciami. Molekuly DNA eukaryotických organizmov sú lineárne. V prokaryotoch je DNA naopak uzavretá v kruhu a nemá ani 3' ani 5' konce.
Podobne ako proteíny, keď sa zmenia podmienky, DNA môže prejsť denaturácia, ktorý sa nazýva topenie. S postupným návratom do normálnych podmienok sa DNA renaturuje.
Funkcie DNA. Funkciou DNA je uchovávanie, prenos a reprodukcia genetickej informácie počas generácií. DNA akejkoľvek bunky kóduje informácie o všetkých proteínoch daného organizmu, o tom, ktoré proteíny sa budú syntetizovať a v akom poradí.
Štruktúra molekúl RNA je v mnohých ohľadoch podobná štruktúre molekúl DNA. Existuje však niekoľko významných rozdielov. V molekule RNA namiesto deoxyribózy obsahujú nukleotidy ribózu. Namiesto tymidylnukleotidu (T) je zahrnutý uridylnukleotid (U). Hlavným rozdielom od DNA je, že molekula RNA je jednovláknová. Jeho nukleotidy sú však schopné vytvárať medzi sebou vodíkové väzby (napríklad v molekulách tRNA, rRNA), no v tomto prípade hovoríme o vnútroreťazcovom spojení komplementárnych nukleotidov.
Reťazce RNA sú oveľa kratšie ako DNA.
Typy RNA
V bunke existuje niekoľko typov RNA, ktoré sa líšia veľkosťou molekuly, štruktúrou, umiestnením v bunke a funkciami.
Messenger RNA – mRNA– najheterogénnejšie vo veľkosti a štruktúre. mRNA je otvorený polynukleotidový reťazec. Je syntetizovaný v jadre za účasti enzýmu RNA polymerázy podľa princípu komplementarity s oblasťou DNA, ktorá je zodpovedná za kódovanie tohto proteínu. mRNA plní v bunke podstatnú funkciu. Slúži ako templát pre syntézu proteínov, prenáša informácie o ich štruktúre z molekúl DNA. Každý bunkový proteín je kódovaný svojou špecifickou mRNA.
Ribozomálna RNA–rRNA. Ide o jednovláknové nukleové kyseliny, ktoré v kombinácii s proteínmi tvoria ribozómy – organely, na ktorých dochádza k syntéze proteínov. Informácie o štruktúre rRNA sú zakódované v úsekoch DNA umiestnených v oblasti sekundárnej konstrikcie chromozómov. rRNA predstavuje 80 % celkovej RNA v bunke, pretože bunky obsahujú veľké množstvo ribozómov. rRNA majú zložitú sekundárnu a terciárnu štruktúru, tvoriace slučky v komplementárnych oblastiach, čo vedie k samoorganizácii týchto molekúl do tela zložitého tvaru. Ribozómy obsahujú 3 typy rRNA v prokaryotoch a 4 typy rRNA v eukaryotoch.
Transport (transfer) RNA - tRNA. Molekula tRNA pozostáva v priemere z 80 nukleotidov. Obsah tRNA v bunke je asi 15 % všetkej RNA. Funkciou tRNA je transport aminokyselín na miesto syntézy proteínov a účasť na procese translácie. Počet rôznych typov tRNA v bunke je malý (asi 40). Všetky majú podobnú priestorovú organizáciu. Vďaka vnútrovláknovým vodíkovým väzbám získava molekula tRNA charakteristickú sekundárnu štruktúru tzv ďatelinový.
Trojrozmerný model tRNA vyzerá trochu inak. V tRNA sú štyri slučky: akceptorová slučka (slúži ako miesto na pripojenie aminokyseliny), antikodónová slučka (počas translácie rozpoznáva kodón v mRNA) a dve bočné slučky.
V živom organizme sú tri hlavné makromolekuly: proteíny a dva typy nukleových kyselín. Vďaka nim je udržiavaná životná aktivita a správne fungovanie celého tela. Čo sú to nukleové kyseliny? Prečo sú potrebné? Viac o tom neskôr v článku.
všeobecné informácie
Nukleová kyselina je biopolymér, organická zlúčenina s vysokou molekulovou hmotnosťou, ktorá je tvorená nukleotidovými zvyškami. Prenos všetkých genetických informácií z generácie na generáciu je hlavnou úlohou, ktorú vykonávajú nukleové kyseliny. Nižšie uvedená prezentácia tento pojem vysvetlí podrobnejšie.
História štúdia
Prvý študovaný nukleotid bol izolovaný z hovädzieho svalu v roku 1847 a nazvaný „kyselina inozínová“. Ako výsledok štúdia chemickej štruktúry sa zistilo, že ide o ribozid-5′-fosfát a obsahuje N-glykozidovú väzbu V roku 1868 bola objavená látka nazývaná „nukleín“. Objavil ho švajčiarsky chemik Friedrich Miescher pri výskume určitých biologických látok. Táto látka obsahovala fosfor. Zlúčenina mala kyslé vlastnosti a nepodliehala rozkladu pod vplyvom proteolytických enzýmov.
Látka dostala vzorec C29H49N9O22P3 Predpoklad o účasti nukleínu v procese prenosu dedičnej informácie bol predložený v dôsledku objavu podobnosti jeho chemického zloženia s chromatínom. Tento prvok je hlavnou zložkou chromozómov Termín „nukleová kyselina“ prvýkrát zaviedol v roku 1889 Richard Altmann. Bol to on, kto sa stal autorom metódy výroby týchto látok bez proteínových nečistôt Počas štúdia alkalickej hydrolýzy nukleových kyselín identifikovali Levin a Jacob hlavné zložky produktov tohto procesu. Ukázalo sa, že ide o nukleotidy a nukleozidy. V roku 1921 Lewin navrhol, že DNA má tetranukleotidovú štruktúru. Táto hypotéza sa však nepotvrdila a ukázala sa ako mylná.
Klasifikácia
Nukleové kyseliny prichádzajú v dvoch typoch: DNA a RNA. Ich prítomnosť sa nachádza v bunkách všetkých živých organizmov. DNA sa nachádza hlavne v bunkovom jadre. RNA sa nachádza v cytoplazme. V roku 1935 boli počas mäkkej fragmentácie DNA získané 4 nukleotidy tvoriace DNA. Tieto zložky sú prítomné v kryštalickom stave. V roku 1953 Watstone a Crick zistili, že DNA má dvojitú špirálu.
Spôsoby výberu
Na získanie zlúčenín z prírodných zdrojov boli vyvinuté rôzne metódy. Hlavnými podmienkami týchto metód je efektívna separácia nukleových kyselín a proteínov, najmenšia fragmentácia látok získaných počas procesu. Dnes je klasická metóda široko používaná. Podstatou tejto metódy je zničenie stien biologického materiálu a ich ďalšie ošetrenie aniónovým detergentom. Výsledkom je proteínová zrazenina, zatiaľ čo nukleové kyseliny zostávajú v roztoku. Používa sa aj iná metóda. V tomto prípade môžu byť nukleové kyseliny vyzrážané do gélového stavu použitím etanolu a fyziologického roztoku. Pri tomto postupe je potrebné postupovať opatrne. Najmä etanol sa musí pridávať do fyziologického roztoku veľmi opatrne, aby sa získala gélová zrazenina. V akej koncentrácii sa nukleová kyselina uvoľňuje, aké nečistoty sú v nej prítomné, možno určiť spektrofotometrickou metódou. Nukleové kyseliny sú ľahko degradované nukleázami, ktoré sú špeciálnou triedou enzýmov. Pri takejto izolácii je potrebné, aby laboratórne vybavenie prešlo povinnou liečbou inhibítormi. Patrí medzi ne napríklad DEPC inhibítor, ktorý sa používa pri izolácii RNA.
Fyzikálne vlastnosti
Nukleové kyseliny majú dobrú rozpustnosť vo vode, ale sú takmer nerozpustné v organických zlúčeninách. Okrem toho sú obzvlášť citlivé na teplotu a úroveň pH. Molekuly nukleových kyselín s vysokou molekulovou hmotnosťou môžu byť fragmentované nukleázou pod vplyvom mechanických síl. Tieto zahŕňajú miešanie roztoku a pretrepávanie.
Nukleové kyseliny. Štruktúra a funkcie
Polymérne a monomérne formy príslušných zlúčenín sa nachádzajú v bunkách. Polymérne formy sa nazývajú polynukleotidy. V tejto forme sú nukleotidové reťazce spojené zvyškom kyseliny fosforečnej. Vzhľadom na obsah dvoch typov heterocyklických molekúl nazývaných ribóza a deoxyribóza sú kyselinami ribonukleové kyseliny a deoxyribonukleové kyseliny. S ich pomocou dochádza k ukladaniu, prenosu a implementácii dedičných informácií. Z monomérnych foriem nukleových kyselín je najpopulárnejšia kyselina adenozíntrifosforečná. Podieľa sa na signalizácii a poskytovaní energetických zásob v bunke.
DNA
Kyselina deoxyribonukleová je makromolekula. S jeho pomocou dochádza k procesu prenosu a implementácie genetickej informácie. Tieto informácie sú potrebné pre program rozvoja a fungovanie živého organizmu. U zvierat, rastlín a húb je DNA súčasťou chromozómov nachádzajúcich sa v bunkovom jadre a nachádza sa aj v mitochondriách a plastidoch. V baktériách a archeách molekula deoxyribonukleovej kyseliny priľne k bunkovej membráne zvnútra. V takýchto organizmoch sú prítomné hlavne kruhové molekuly DNA. Nazývajú sa „plazmidy“. Podľa svojej chemickej štruktúry je kyselina deoxyribonukleová polymérnou molekulou pozostávajúcou z nukleotidov. Tieto zložky zase obsahujú dusíkatú zásadu, cukor a fosfátovú skupinu. Práve vďaka posledným dvom prvkom vzniká medzi nukleotidmi väzba, ktorá vytvára reťazce. V zásade je makromolekula DNA prezentovaná vo forme špirály dvoch reťazcov.
RNA
Ribonukleová kyselina je dlhý reťazec tvorený nukleotidmi. Obsahujú dusíkatú bázu, ribózový cukor a fosfátovú skupinu. Genetická informácia je kódovaná pomocou sekvencie nukleotidov. RNA sa používa na programovanie syntézy bielkovín. Ribonukleová kyselina vzniká pri transkripcii. Toto je proces syntézy RNA na templáte DNA. Vyskytuje sa za účasti špeciálnych enzýmov. Nazývajú sa RNA polymerázy. Potom sa templátové ribonukleové kyseliny zúčastňujú procesu translácie. Takto prebieha syntéza proteínov na matrici RNA. Na tomto procese sa aktívne zúčastňujú ribozómy. Zvyšné RNA prechádzajú chemickými transformáciami na dokončenie transkripcie. V dôsledku zmien, ku ktorým dochádza, sa vytvárajú sekundárne a terciárne štruktúry ribonukleovej kyseliny. Fungujú v závislosti od typu RNA.
