Рнк у истоков жизни?

Молекула РНК

Молекулы РНК клеток прокариот и эукариот состоят из одной цепи. Существуют три основных типа РНК, которые различаются местоположением в клетке, структурой и функциями в биосинтезе белка. Информационная, или матричная, РНК (иРНК, или мРНК) переносит наследственную информацию от ДНК к месту синтеза полипептидной цепи. Транспортная РНК (тРНК), которая из всех молекул РНК имеет наименьшие размеры (состоит из 70-90 нуклеотидов), транспортирует аминокислоты к месту синтеза белковых молекул. Рибосомная РНК (рРНК) входит в состав особых органических клеток — рибосом, которые обеспечивают синтез белковой молекулы. Бывают и другие типы РНК.

Ядерная ДНК сохраняется в ядре, там же синтезируются молекулы РНК. Далее РНК транспортируются из ядра клетки в цитоплазму, где синтезируются белки. Приводим сравнительную таблицу двух типов нуклеиновых кислот.

Рибонуклеиновая кислота

Рибонуклеиновая кислота (РНК) является одной из макромолекул, которая содержится в клетках каждого живого организма.  РНК представляет собой цепь, каждое из звеньев которой  называется нуклеотидом. Последовательность звеньев (нуклеотидов) кодирует генетическую информацию.

Транскрипция – это перенос информации из ДНК в РНК, который осуществляется посредством ферментов. Разные типы рибонуклеиновой кислоты обрабатываются разными ферментами. После завершения этого процесса, происходит модификация, которая подразумевает подготовку к следующему действию.

После происходит процесс названный трансляцией, цель которого – синтез белка с участием рибосом. Часть вирусов обладают геномами, состоящими из РНК – это говорит о том, что у них рибонуклеиновая кислота играет роль ДНК.

В 1868г. была открыта молекула РНК, а в 1939г. были определены ее основные функции.

Звенья РНК состоят из сахара и рибозы, но помимо этого, насчитывается еще около 100 модифицированных нуклеотидов, большинство из которых – модификации сахара. Значение и функции большей части соединений не известны, но ясно, что они располагаются в важных участках.

В составе РНК существуют азотистые основания, которые порой образовывают водородные связи или складываются в петлю. Различия между ДНК и РНК в структуре существуют – благодаря гидроксильной группе, молекула рибонуклеиновой кислоты существует в А-конформации.

Учеными-биологами выделяется три основных типа РНК:

• Рибосомные РНК составляют большую часть, их главная цель – формирование центра рибосомы, где в дальнейшем происходит синтез белка;
• Транспортные РНК присоединяют к себе аминокислоту и «довозят» ее до нужного места;
• Информационные РНК передают информацию о белке рибосомам, где эти сведения будут реализованы.

Сходства между ДНК и РНК заключается в том, что обе молекулы могут хранить в себе информацию о процессах. РНК зачастую использует вместо генома вирусоподобные частицы и сами вирусы.

Таким образом, рибонуклеиновая кислота одновременно является носителем важной информации и катализатором реакций. Данные сведения подтолкнули ученых на мысль о том, что РНК самый первый сложный полимер, который появился в процессе эволюции

Данная гипотеза получила название – «РНК-мира».

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК): строение

Роль хранителя наследственной информации у всех клеток — животных и растительных — принадлежит ДНК.

Схема строения ДНК изображена на рисунке 74. Молекула ДНК представляет собой две спирально закрученные одна вокруг другой нити.

Ширина такой двойной спирали ДНК невелика, около 2 нм. Длина же ее в десятки тысяч раз больше — она достигает сотен тысяч нанометров.

Между тем самые крупные белковые молекулы в развернутом виде достигают в длину не более 100 — 200 нм.

Таким образом, вдоль молекулы ДНК могут быть уложены одна за другой тысячи белковых молекул.

Молекулярная масса ДНК соответственно исключительно велика — она достигает десятков и даже сотен миллионов.

Обратимся к структуре ДНК. Каждая нить ДНК представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды.

Нуклеотид — это химическое соединение остатков трех веществ: азотистого основания, углевода (моносахарида — дезоксирибозы) и фосфорной кислоты.

ДНК всего органического мира образованы соединением четырех видов нуклеотидов. Их структуры приведены на рисунке рисунке 75.

Как видно, у всех четырех нуклеотидов углевод и фосфорная кислота одинаковы.

Нуклеотиды отличаются только по азотистым основаниям, в соответствии с которыми их называют; нуклеотид с азотистым основанием аденин (сокращенно А), нуклеотид с гуанином (Г), нуклеотид с тимином (Т) и нуклеотид с цитозином (Ц).

По размерам А равен Г, а Т равен Ц; размеры А и Г несколько больше, чем Т и Ц.

Соединение нуклеотидов в нити ДНК происходит через углевод одного нуклеотида и фосфорную кислоту соседнего. Они соединяются прочной ковалентной связью — рисунок 76.

Итак, каждая нить ДНК представляет собой полинуклеотид. Это длинная цепь, в которой в строго определенном порядке расположены нуклеотиды.

Рассмотрим теперь, как располагаются относительно друг друга нити ДНК, когда образуется двойная спираль, и какие силы удерживают их рядом.

Представление об этом дает рисунок рисунок 77, на котором изображен небольшой участок двойной спирали.

Как видно, азотистые основания одной цепи «стыкуются» с азотистыми основаниями другой. Основания подходят друг к другу настолько близко, что между ними возникают водородные связи.

В расположении стыкующихся нуклеотидов имеется важная закономерность, а именно: против А одной цепи всегда оказывается Т на другой цепи, а против Г одной цепи — всегда Ц.

Оказывается, что только при таком сочетании нуклеотидов обеспечивается, во-первых, одинаковое по всей длине двойной спирали расстояние между цепями и, во-вторых, образование между противолежащими основаниями максимального числа водородных связей (три водородные связи между Г и Ц и две водородные связи между А и Т).

В каждом из этих сочетаний оба нуклеотида как бы дополняют друг друга. Слово «дополнение» на латинском языке «комплемент». Принято поэтому говорить, что Г является комплементарным Ц, а Т комплементарен А.

Если на каком-нибудь участке одной цепи ДНК один за другим следуют нуклеотиды А, Г, Ц, Т, А, Ц, Ц, то на противолежащем участке другой цепи окажутся комплементарные им Т, Ц, Г, А, Т, Г, Г.

Таким образом, если известен порядок следования нуклеотидов в одной цепи, то по принципу комплементарности сразу же выясняется порядок нуклеотидов в другой цепи.

Большое число водородных связей обеспечивает прочное соединение нитей ДНК, что придает молекуле устойчивость и в то же время сохраняет ее подвижность: под влиянием фермента дезоксирибонуклеазы она легко раскручивается.

ДНК содержится в ядре клетки, а также в митохондриях и хлоропластах.

В ядре ДНК входит в состав хромосом, где она находится в соединении с белками.

Типы РНК

Обзор

Структура рибозима в форме головки молотка, рибозима , который разрезает РНК

Информационная РНК (мРНК) — это РНК, передающая информацию от ДНК к рибосоме , участкам синтеза ( трансляции ) белка в клетке. Кодирующая последовательность мРНК определяет аминокислотную последовательность продуцируемого белка . Однако многие РНК не кодируют белок (около 97% транскрипционного продукта у эукариот не кодирует белок).

Эти так называемые некодирующие РНК («нкРНК») могут кодироваться своими собственными генами (генами РНК), но также могут происходить из интронов мРНК . Наиболее яркими примерами некодирующих РНК являются транспортная РНК (тРНК) и рибосомная РНК (рРНК), обе из которых участвуют в процессе трансляции. Есть также некодирующие РНК, участвующие в регуляции генов, процессинге РНК и другие роли. Некоторые РНК способны катализировать химические реакции, такие как разрезание и лигирование других молекул РНК, а также катализ образования пептидной связи в рибосоме ; они известны как рибозимы .

В длину

По длине цепи РНК РНК включает малую РНК и длинную РНК. Обычно малые РНК имеют длину менее 200  нуклеотидов , а длинные РНК — более 200  нуклеотидов . Длинные РНК, также называемые большими РНК, в основном включают длинные некодирующие РНК (днРНК) и мРНК . Малые РНК в основном включают 5.8S рибосомную РНК (рРНК), 5S рРНК , транспортную РНК (тРНК), микроРНК (miRNA), малую интерферирующую РНК (миРНК), малую ядрышковую РНК (мяРНК), Piwi-взаимодействующую РНК (piRNA), тРНК- производная малая РНК (цРНК) и малая РНК-производная РНК (мрРНК). Есть определенные исключения, как в случае 5S рРНК представителей рода Halococcus ( Archaea ), которые имеют вставку, увеличивающую ее размер.

В переводе

Информационная РНК (мРНК) несет информацию о последовательности белка к рибосомам , фабрикам синтеза белка в клетке. Он закодирован так, что каждые три нуклеотида ( кодон ) соответствуют одной аминокислоте. В эукариотических клетках, как только мРНК-предшественник (пре-мРНК) транскрибируется с ДНК, она процессируется до зрелой мРНК. Это удаляет его интроны — некодирующие участки пре-мРНК. Затем мРНК экспортируется из ядра в цитоплазму , где она связывается с рибосомами и транслируется в соответствующую белковую форму с помощью тРНК . В прокариотических клетках, которые не имеют компартментов ядра и цитоплазмы, мРНК может связываться с рибосомами, пока она транскрибируется с ДНК. Через некоторое время сообщение распадается на составляющие его нуклеотиды с помощью рибонуклеаз .

РНК- переносчик (тРНК) представляет собой небольшую цепь РНК из примерно 80 нуклеотидов, которая переносит конкретную аминокислоту в растущую полипептидную цепь в рибосомном сайте синтеза белка во время трансляции. Он имеет сайты для присоединения аминокислот и антикодоновую область для распознавания кодонов, которая связывается с определенной последовательностью в цепи информационной РНК посредством водородных связей.

Рибосомная РНК (рРНК) является каталитическим компонентом рибосом. Рибосомы эукариот содержат четыре различных молекулы рРНК: 18S, 5,8S, 28S и 5S рРНК. Три молекулы рРНК синтезируются в ядрышке , а одна синтезируется в другом месте. В цитоплазме рибосомная РНК и белок объединяются, образуя нуклеопротеин, называемый рибосомой. Рибосома связывает мРНК и осуществляет синтез белка. Несколько рибосом могут быть присоединены к одной мРНК в любое время. Почти вся РНК, обнаруженная в типичной эукариотической клетке, является рРНК.

РНК-мессенджер (тмРНК) обнаружена во многих бактериях и пластидах . Он маркирует белки, кодируемые мРНК, у которых отсутствуют стоп-кодоны для деградации, и предотвращает остановку рибосомы.

Что такое геном, повреждения ДНК, болезни и старение ?

Что такое геном ?

Полный наследственный набор ваших ДНК называется вашим геномом. Он содержит 3 миллиарда основ, 20000 генов и 23 пары хромосом!      

Половину ДНК вы наследуете от отца, а половину – от матери. Эти ДНК поступают в соответствии со спермы и яйцеклетки.     

Гены на самом деле составляют очень малую часть вашего генома – лишь 1 процент. Остальные 99 процентов помогают регулировать такие вещи, как и в каком количестве производятся белки.   

Повреждение ДНК и мутации

ДНК-код склонен к повреждению. На самом деле, по оценкам, ежедневно в каждой из наших клеток происходят десятки тысяч повреждений ДНК. Повреждение может произойти через такие вещи, как ошибки в репликации ДНК, свободные радикалы и влияние УФ-излучения.              

Но не бойтесь! Ваши клетки имеют специализированные белки, которые способны обнаруживать и восстанавливать много случаев повреждения ДНК. На самом деле существует не менее пяти основных путей восстановления ДНК.      

Мутации – это изменения в последовательности ДНК. Они иногда могут быть плохими. Это объясняется тем, что изменение кода ДНК может повлиять на дальнейшее способ выработки белка. Если белок не работает должным образом, может возникнуть заболевание.   

Мутации также могут привести к развитию рака. Например, если гены, кодирующие белки, участвующие в клеточном росте, мутируют, клетки могут расти и делиться вне контроля. Некоторые мутации, вызывающие рак, могут быть унаследованы, а другие могут быть получены путем воздействия канцерогенов, таких как УФ-излучение, химические вещества или сигаретный дым.    

Но не все мутации плохие. Некоторые безвредны, а другие способствуют росту человеческого разнообразия как вида. 

ДНК и старение

Считается, что непоправимое повреждение ДНК может накапливаться с возрастом, вызывая процесс старения. Какие факторы могут влиять на это? 

То, что может сыграть большую роль в повреждении ДНК, связанном со старением, – это повреждение через свободные радикалы. Однако этого механизма повреждения может быть недостаточно, чтобы объяснить процесс старения. Также может быть задействовано несколько факторов.    

Одна из причин того, почему повреждения ДНК накапливается с возрастом, основывается на эволюции. Повреждение ДНК восстанавливаются лучше, когда мы в репродуктивном возрасте и имеем детей. После того, как мы прошли наши пиковые репродуктивные годы, процесс ремонта закономерно снижается.     

Другая часть ДНК, которая может иметь отношение к старению – это теломеры. Теломеры – это участки повторяющихся последовательностей ДНК, находящихся на концах ваших хромосом. Они помогают защитить ДНК от повреждения, но также укорачиваются с каждым раундом репликации ДНК.     

Укорочение теломер было связано с процессом старения. Также было установлено, что некоторые факторы жизни, такие как ожирение, влияние сигаретного дыма и психологический стресс, могут сожействовать укорочению теломер.     

Возможно, выбор здорового образа жизни, как и поддержка здорового веса, управления стрессом и отказ от курения, может замедлить сокращение теломер? Этот вопрос продолжает интересовать исследователей.           

Синтез ДНК. Репликация

Уникальным свойством ДНК является ее способность удваиваться (реплицироваться). В природе репликация ДНК происходит следующим образом: с помощью специальных ферментов (гираз), которые служат катализатором (веществами, ускоряющими реакцию), в клетке происходит расплетение спирали в том ее участке, где должна происходить репликация (удвоение ДНК). Далее водородные связи, которые связывают нити, разрываются и нити расходятся.

В построении новой цепи активным «строителем» выступает специальный фермент — ДНК-полимераза. Для удвоения ДНК необходим также стратовый блок или «фундамент», в качестве которого выступает небольшой двухцепочечный фрагмент ДНК. Этот стартовый блок, а точнее — комплементарный участок цепи родительской ДНК — взаимодействует с праймером — одноцепочечным фрагментом из 20—30 нуклеотидов. Происходит репликация или клонирование ДНК одновременно на обеих нитях. Из одной молекулы ДНК образуются две молекулы ДНК, в которых одна нить от материнской молекулы ДНК, а вторая, дочерняя, вновь синтезированная.

Таким образом, процесс репликации ДНК (удваивания) включает в себя три основных этапа:

• Расплетение спирали ДНК и расхождение нитей
• Присоединение праймеров
• Образование новой цепи ДНК дочерней нити

В основе анализа методом ПЦР лежит принцип репликации ДНК — синтеза ДНК, который современным ученым удалось воссоздать искусственно: в лаборатории врачи вызывают удвоение ДНК, но только не всей цепи ДНК, а ее небольшого фрагмента.

История исследования

В 1847 из экстракта мышц быка было выделено вещество, которое получило название «инозиновая кислота». Это соединение стало первым изученным нуклеотидом. В течение последующих десятилетий были установлены детали его химического строения. В частности, было показано, что инозиновая кислота является рибозид-5′-фосфатом, и содержит N-гликозидную связь.
В 1868 году швейцарским химиком Фридрихом Мишером при изучении некоторых биологических субстанций было открыто неизвестное ранее вещество. Вещество содержало фосфор и не разлагалось под действием протеолитических ферментов. Также оно обладало выраженными кислотными свойствами. Вещество было названо «нуклеином»

Соединению была приписана брутто-формула C29H49N9O22P3.
Уилсон обратил внимание на практическую идентичность химического состава «нуклеина» и открытого незадолго до этого «хроматина» — главного компонента хромосом. Было выдвинуто предположение об особой роли «нуклеина» в передаче наследственной информации.
В 1889 г Рихард Альтман ввел термин «нуклеиновая кислота», а также разработал удобный способ получения нуклеиновых кислот, не содержащих белковых примесей.
Левин и Жакоб, изучая продукты щелочного гидролиза нуклеиновых кислот, выделили их основные составляющие — нуклеотиды и нуклеозиды, а также предложили адекватные структурные формулы, описывающие их свойства.
В 1921 году Левин выдвинул гипотезу «тетрануклеотидной структуры ДНК», оказавшуюся впоследствии ошибочной.
В 1935 году Клейн и Танхаузер с помощью фермента фосфатазы провели мягкое фрагментирование ДНК, в результате чего были получены в кристаллическом состоянии четыре ДНК-образующих нуклеотида. Это открыло новые возможности для установления структуры этих соединений.
В 1940-е годы научная группа в Кембридже под руководством Александера Тодда проводит широкие синтетические исследования в области химии нуклеотидов и нуклеозидов

В результате их работы были установлены все детали химического строения и стереохимии нуклеотидов. За цикл работ в этой области Александер Тодд был награждён Нобелевской премией в области химии в 1957 году.
В 1951 году Чаргаффом была установлена закономерность содержания в нуклеиновых кислотах нуклеотидов разных типов, получившая впоследствии название Правило Чаргаффа.
В 1953 году Уотсоном и Криком установлена вторичная структура ДНК, двойная спираль.

Это открыло новые возможности для установления структуры этих соединений.
В 1940-е годы научная группа в Кембридже под руководством Александера Тодда проводит широкие синтетические исследования в области химии нуклеотидов и нуклеозидов. В результате их работы были установлены все детали химического строения и стереохимии нуклеотидов. За цикл работ в этой области Александер Тодд был награждён Нобелевской премией в области химии в 1957 году.
В 1951 году Чаргаффом была установлена закономерность содержания в нуклеиновых кислотах нуклеотидов разных типов, получившая впоследствии название Правило Чаргаффа.
В 1953 году Уотсоном и Криком установлена вторичная структура ДНК, двойная спираль.

Структура ДНК

Первичная структура ДНК — это линейная последовательность нуклеотидов ДНК в цепи. Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК записывают в виде буквенной формулы ДНК: например — AGTCATGCCAG, запись ведется с 5’- на 3’-конец цепи ДНК.

Вторичная структура ДНК образуется за счет взаимодействий нуклеотидов (в большей степени азотистых оснований) между собой, водородных связей. Классический пример вторичной структуры ДНК — двойная спираль ДНК. Двойная спираль ДНК — самая распространенная в природе форма ДНК, состоящая из двух полинуклеотидных цепей ДНК. Построение каждой новой цепи ДНК осуществляется по принципу комплементарности, т. е. каждому азотистому основанию одной цепи ДНК соответствует строго определенное основание другой цепи: в комплемнтарной паре напротив A стоит T, а напротив G располагается C и т.д.

Структура ДНК

Уотсон и Крик продемонстрировали, что по своей форме молекула ДНК напоминает винтовую лестницу, образующую двойную спираль. Каждая боковина «лестницы» состоит из многочисленных молекул сахара (дезоксирибозы), соединённых группами фосфатов. Эта сахарофосфатная цепь играет роль «кирпичика» в молекуле ДНК. «Перекладины» разделены надвое, при этом каждую половинку представляет один из четырёх химических элементов, называемых основаниями: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) или тимин (Т). Основания прочно крепятся к боковинам, но очень слабо — к середине перекладин.

Соединения аденин и гуанин имеют два кольца и относятся к пуринам, имеющим отношение к мочевой кислоте (они присутствуют в моче). Цитозин и тимин — однокольцевые соединения, называемые пиримидинами (некоторые витамины группы В имеют структуру пиримидинов). Аденин всегда объединяется в пары с тимином, а гуанин — с цитозином, формируя полные поперечины лестницы ДНК. Вместе с сахарофосфатным «каркасом» каждая пара образует нуклеотид — основную единицу ДНК.

Указанные четыре основания — важнейшая часть молекулы ДНК, так как они содержат генетический код каждой клетки. Комбинации оснований определяют время формирования различных белков и задают функции клеток организма.

Хромосомы

На этой фотографии с усиленной расцветкой показаны хромосомы человека, состоящие из цепочек ДНК и белков (изображение увеличено примерно в 4000 раз). Эти нитевидные структуры присутствуют в каждой клетке человеческого организма

Хромосомы представляют собой длинные цепочки ДНК и белков, которые, соединяясь, образуют хроматин. ДНК плотно сжата в ядре клетки, а связующие белки (гистоны) образуют структуру, известную как нуклеосома. Нуклеосомы соединяются дополнительными цепями ДНК — так называемыми связующими ДНК. Хромосомы постоянно присутствуют в ядре, но обнаруживаются только в процессе деления клетки.

Нуклеиновые кислоты — что это в биологии

Было выяснено опытным путем, что молекулы нуклеиновых кислот способны переходить от одного простейшего организма к другому и передавать ему наследуемые признаки. Часть вирусов имеют рибонуклеиновые кислоты в качестве генетического материала. Но самая важная функция нуклеиновых кислот — это хранение и передача наследственной информации при размножении живых существ.

Какую роль играют в жизнедеятельности клетки

Генетическая информация, определяющая неповторимость любого организма — это информация о последовательности аминокислот в каждом из его белков. А содержится она в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты, сокращенно ДНК. Последовательность структурных единиц ДНК, нуклеотидов, соответствует последовательности аминокислот в белке. Это взаимное соответствие называется генетическим кодом.

Определение

Аминокислоты — природные органические соединения, из которых построены белки. Половина из аминокислот — незаменимые, они не синтезируются в организме и должны поступать с продуктами питания.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут

Рибонуклеиновая кислота, сокращенно РНК, играет роль посредника между ДНК и белком. Сведения, хранящиеся в ДНК, в результате химической реакции, спровоцированной промотором, переписываются в виде РНК. На участке ДНК, где идет синтез РНК, нити двойной спирали расплетены. По мере продвижения специального фермента, РНК-полимеразы, вдоль ДНК спираль восстанавливается.

Классификация типов РНК проводится по исполняемым функциям. РНК, в виде которой переписывается наследственная информация, получила название матричной. Она используется для получения белка много раз. Поэтому вдоль нее движется сразу несколько частиц РНК другого типа, каждая из которых делает свою копию белка.

РНК второго типа, рибосомная, управляет всем процессом синтеза белка. Она же выступает в роли «суперфермента», ускоряющего реакцию аминокислот между собой. Как и РНК-полимераза при переписывании наследственной информации, рибосомная РНК получает старт- и стоп-сигналы. Их подает матричная РНК.

Старт-сигнал представляет собой последовательность из пяти-восьми нуклеотидов, расположенную на расстоянии примерно в десять нуклеотидов от начала участка, который кодирует белок. Стоп-сигнал рибосомная РНК получает тогда, когда встречает особые тройки нуклеотидов: УАА, УГА и УАГ, не кодирующие аминокислоты. В клетке нет тех транспортных РНК, которые могли бы спариваться с ними своими петлями.

РНК третьего типа называют транспортной. Она составляет 15% всей клеточной РНК. Молекула транспортной РНК совсем маленькая, она состоит примерно из 75 нуклеотидов. С ее помощью между аминокислотами образуется химическая связь, т. е. появляется зародыш будущего белка. Далее аминокислоты будут присоединяться к растущей белковой цепочке по мере их поступления к месту синтеза.

Белковые цепочки, отрезанные от транспортной РНК, претерпевают в клетке дальнейшие изменения. Некоторые аминокислоты могут химически меняться, а сама цепочка иногда разрезается на части. Лишь в этом случае образуется полноценный белок. За последующую обработку только что произведенных белков в клетке отвечает множество различных ферментов.