Полинуклеотидные цепи

Нуклеиновые кислоты

Структура и функции ДНК и РНК. Нуклеотиды и полинуклеотиды. мРНК, рРНК, тРНК, миРНК,малые интерферирующие РНК

Введение

Нуклеиновые кислоты и ДНК в частности, являются ключевыми макромолекулами для непрерывности жизни. ДНК несет наследственную информацию, которая передается от родителей к детям, давая инструкции о том, как (и когда) создавать многие белки, необходимые для построения и поддержания функционирующих клеток, тканей и организмов.

То как ДНК переносит эту информацию и как она приводится в действие клетками и организмами, является сложным, увлекательным и довольно поражающим, и мы рассмотрим это более подробно в разделе по молекулярной биологии. А здесь мы просто взглянем на нуклеиновые кислоты с точки зрения макромолекулы.

Роли ДНК и РНК в клетках

Нуклеиновые кислоты – макромолекулы, образованные из соединений, называемых нуклеотидами, встречаются в двух разновидностях натурального происхождения: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). ДНК – это генетический материал, встречающийся в живых организмах, начиная от одноклеточных бактерий и заканчивая многоклеточными млекопитающими, таких как вы и я. Некоторые вирусы используют в виде генетического материала РНК, а не ДНК, но технически не считаются живыми (поскольку они не могут воспроизводиться без помощи хозяина).

ДНК в клетках

У эукариотов, таких как растения и животные, ДНК находится в ядре – специализированном, мембраносвязанном хранилище в клетке, а также в некоторых других типах органелл (таких как митохондрии и хлоропласты растений). В прокариотах, например бактериях, ДНК не заключена в ядерную мембрану, хотя она упакована в специализированной области клеток, называемой нуклеоидом.

У эукариотов, ДНК обычно разбивается на ряд очень длинных линейных фрагментов, называемых хромосомами, тогда как в прокариотах – бактериях, хромосомы намного меньше и часто кольцевые (кольцеобразные). Хромосома может содержать десятки тысяч генов, каждые из которых дают инструкции о том, как создать индивидуальный продукт, необходимый клетке.

Из ДНК в РНК, из РНК в белки

Многие гены кодируют белковые продукты, это означает, что они устанавливают последовательность аминокислот, используемых для создания конкретного белка. Однако до того как эта информация может быть использована для синтеза белка, необходимо сначала сделать копию (транскрипцию) гена РНК. Этот тип РНК называется матричной РНК (мРНК), поскольку она служит посредником между ДНК и рибосомами – молекулярными машинами, которые считывают последовательности мРНК и используют их для создания белков. Этот последовательный переход от ДНК к РНК, и затем от РНК к белку, называется «центральной догмой молекулярной биологии».

Важно отметить, что не все гены кодируют белковые продукты. Например, некоторые гены кодируют рибосомные РНК (rRNAs), которые служат структурными компонентами рибосом или транспортных РНК (тРНК) – похожие по форме на трилистник молекулы РНК, которые доставляют аминокислоты в рибосому для синтеза белка. Другие молекулы РНК, такие как крошечные микроРНК (миРНК), действуют как регуляторы других генов, и постоянно обнаруживаются всё новые типы некодирующих (белки) РНК.

Нуклеотиды

ДНК и РНК представляют собой полимеры (в случае ДНК, часто очень длинные полимеры) и состоят из мономеров, известных как нуклеотиды. Когда эти мономеры объединяются, полученная цепь называется полинуклеотидом (поли- = «много»).

Каждый нуклеотид состоит из трех частей: азотсодержащая кольцевая структура, называемая азотистым основанием, 5-углеродный сахар (пентоза), и, по крайней мере, одна фосфатная группа. Молекула сахара имеет центральное положение в структуре нуклеотида, с основанием соединённым с одним из его атомов углерода, и фосфатной группой (или группами) соединенной с другим его атомом. Давайте посмотрим на каждую часть нуклеотида по очереди.

Нуклеиновые кислоты

Азотистые основания

Азотистые основания нуклеотидов, являются органическими (на основе углерода) молекулами, состоящие из азотсодержащих кольцевых структур.

Почему это называется «основание»?

Поскольку некоторые из нитрогенов в основании могут быть протонированы (забирают дополнительный H⁺ ион), азотистые основания уменьшают концентрацию ионов водорода в растворе, и поэтому являются основаниями в понимании кислотно-основных свойств.

Каждый нуклеотид в ДНК содержит одно из четырех возможных азотистых оснований: аденин (A), гуанин (G) цитозин (C) и тимин (T). Аденин и гуанин являются пуринами, что означает, что их структуры содержат два соединенных углерод-азотных кольца. Цитозин и тимин, напротив, являются пиримидинами и имеют одно углерод-азотное кольцо. Нуклеотиды РНК могут также иметь аденин, гуанин и цитозин основания, но вместо тимина они имеют другое пиримидиновое основание, называемое урацилом (U). Как показано на рисунке выше, каждое основание обладает уникальной структурой, с собственным набором функциональных групп, соединенных с кольцевой структурой.

В сокращениях молекулярной биологии, азотистые основания часто указываются только однобуквенными символами A, T, G, C и U. ДНК содержит A, T, G и C, а РНК содержит A, U, G, и C (т. е. T заменяется на U).

Сахара

Помимо наличия слегка разных наборов оснований, нуклеотиды ДНК и РНК также имеют немного отличающиеся сахара. 5-углеродный сахар в ДНК называется дезоксирибозой, а в РНК сахар называется рибозой. Они очень похожи по структуре, только имеют одно отличие: второй атом углерода рибозы имеет гидроксильную группу, тогда как эквивалентный атом углерода дезоксирибозы имеет вместо него атом водорода. Атомы углерода молекулы сахара нуклеотида нумеруются как 1', 2', 3', 4' и 5' (1' читается как «один штрих»), как показано на рисунке выше. В нуклеотиде сахар занимает центральное положение, основание соединено с его 1' углерод, а фосфатная группа (или группы) соединена с его 5' углерод.

Фосфат

Нуклеотиды могут иметь одну фосфатную группу или цепь из трех фосфатных групп, соединенную с 5' углеродом сахара. Некоторые источники по химии, используют термин «нуклеотид» только для обозначения соединений с одной фосфатной группой, но в молекулярной биологии принято использовать более широкое определение.

В клетке, нуклеотид, который должен быть присоединен к концу полинуклеотидной цепи, будет иметь серию из трех фосфатных групп. Когда нуклеотид присоединяется к растущей цепи ДНК или РНК, он теряет две фосфатные группы. Таким образом, в цепи ДНК или РНК каждый нуклеотид имеет только одну фосфатную группу.

Полинуклеотидные цепи

Следствием структуры нуклеотидов является то, что полинуклеотидная цепь имеет направленность, то есть, у неё два конца, которые отличаются друг от друга. На 5'-конце или в начале цепи, торчит 5'-фосфатная группа первого нуклеотида в цепи. На другом конце, называемом 3'-концом, 3'-гидроксильный конец нуклеотида, добавленного к цепи, подвергается воздействию. Обычно, запись последовательности нуклеотидов ДНК, осуществляется в направлении от 5 'до 3', что означает, что нуклеотид на 5'-конце лидирующий, а нуклеотид на 3'-конце - запаздывающий.

Когда новые нуклеотиды добавляются к цепи ДНК или РНК, цепь растет на своем 3'-конце, новый/входящий нуклеотид присоединяется к цепочке 5'-фосфатным концом к гидроксильной группе на 3'-конце цепи. Это создает цепь, где каждым сахар, соединен со своими соседями набором соединений, называемых фосфодиэфирной связью.

Свойства ДНК

Цепи дезоксирибонуклеиновой кислоты или ДНК, как правило, создают двойную спираль – структуру, в которой две добавочные (комплементарные) цепи склеиваются вместе, как показано на диаграмме. Сахара и фосфаты находятся снаружи спирали, образуя остов ДНК; этот участок молекулы иногда называют сахарофосфатным остовом. Азотистые основания простираются во внутреннюю сторону, как ступени лестницы, парами; основания пары связаны друг с другом водородными связями.

Две нити спирали проходят в противоположных направлениях, что означает, что 5'-конец одной нити соединен с 3'-концом комплиментарной нити. (Это называется антипараллельной ориентацией и имеет важное значение для копирования ДНК).

 

Итак, могут ли каких-нибудь два случайных основания принять решение собраться вместе и сформировать пару в двойной спирали? Ответ – опредлённо нет. Из-за размеров и функциональных групп оснований, спаривание оснований крайне специфично: A может спариваться только с T, а G может спариваться только с C, как показано ниже. Это означает, что две нити двойной спирали ДНК имеют крайне предсказуемое взаимотношение друг с другом.

Например, если вы знаете, что последовательность одной нити 5'-AATTGGCC-3', то комплиментарная нить должна иметь последовательность 3'-TTAACCGG-5'. Это позволяет каждому основанию совпадать со своим партнером:

Когда две последовательности ДНК совпадают таким образом, что они могут склеиваться друг с другом антипараллельным образом и образовывать спираль, то они называются комплеминтарными.

Свойства РНК

Рибонуклеиновая кислота (РНК), в отличие от ДНК, обычно является одноцепочечной. Нуклеотид в цепи РНК будет содержать рибозу (пятиуглеродный сахар), одно из четырех азотистых оснований (A, U, G или C) и фосфатную группу. Здесь мы рассмотрим четыре основных типа РНК: матричную РНК (мРНК), рибосомную РНК (рРНК), транспортную РНК (тРНК) и регуляторные РНК.

Матричная РНК (мРНК)

Матричная РНК (мРНК) является промежуточным вспомогательным звеном между белок-кодирующим геном и его белковым продуктом. Если клетке необходимо синтезировать определенный белок, ген, кодирующий белок, будет «включен», это означает, что поступит фермент РНК-полимеразы и создаст копию РНК или транскрипцию (переписку) гена ДНК-последовательности. Транскрипт несет ту же информацию, что и в последовательности ДНК его гена. Однако в молекуле РНК основание T заменено на U. Например, если ДНК-кодирующая нить имеет последовательность 5'-AATTGCGC-3', то последовательность соответствующей РНК будет 5'-AAUUGCGC-3'.

Как только мРНК будет произведена, она будет ассоциирована с рибосомой – молекулярной машиной, которая специализируется на сборке белков из аминокислот. Рибосома использует информацию в мРНК, чтобы синтезировать белок определенной последовательности, «считывая» нуклеотиды мРНК группами, по три нуклеотида (называемых кодонами), и добавляя определенную аминокислоту для каждого кодона.