Описание
Рибонуклеиновые кислоты (РНК) - полимеры нуклеотидов, в состав которых входят остаток ортофосфорной кислоты, рибоза (в отличие от ДНК, содержащей дезоксирибозу) и азотистые основания - аденин, цитозин, гуанин и урацил (в отличие от , содержащей вместо урацила тимин). Эти молекулы содержатся в всех живых организмов, а также в некоторых вирусах. У некоторых РНК служит носителем генетической информации. РНК, как правило, построены из одной полинуклеотидной цепи. Известны редкие примеры двухспиральных молекул РНК. Различают 3 основных типа РНК: рибосомную (рРНК), транспортную (тРНК) и информационную или матричную (иРНК, мРНК). Матричная РНК служит для передачи информации, закодированной в ДНК, рибосомам, синтезирующим . Кодирующая последовательность мРНК определяет последовательность аминокислот полипептидной цепи белка. Однако подавляющее большинство разновидностей РНК не кодирует белок (например, тРНК и рРНК). Существуют и другие некодирующие РНК, например, РНК, ответственные за регуляцию генов и процессинг мРНК; РНК, катализирующие разрезание и лигирование молекул РНК. По аналогии с белками, способными катализировать химические реакции, - энзимами, каталитические молекулы РНК называются рибозимами. Микро-РНК (размером 20–22 нуклеотидных пар) и малые интерферирующие РНК (миРНК, размером 20–25 нуклеотидных пар) способны уменьшать или увеличивать экспрессию генов через механизм РНК-интерференции. Специфические белки системы направляются при помощи микро- и миРНК к целевым последовательностям Мрнк и разрезают их, вследствие чего нарушается процесс трансляции. На основе механизма РНК-интерференции разработана перспективная новая технология рака, направленная на «выключение» (сайленсинг, от англ. silence - молчание) генов, отвечающих за рост и деление раковых клеток. В настоящее время активно разрабатываются методы доставки с помощью специализированных целевых миРНК в опухолевые клетки.
Авторы
- Народицкий Борис Савельевич
- Ширинский Владимир Павлович
- Нестеренко Людмила Николаевна
Источники
- Alberts B., Johnson A., Lewis J. et al. Molecular Biology of the Cell. 4th ed. - N.Y.: Garland Publishing, 2002. - 265 p.
- Рис Э., Стернберг М. Введение в молкулярную биологию. От клеток к атомам. - М.: Мир, 2002. - 154 с.
- Рибонуклеиновые кислоты // Википедия, свободная энциклопедия. - http://ru.wikipedia.org/wiki/Рибонуклеиновые_кислоты (дата обращения: 02.10.2009).
Для поддержания жизни в живом организме происходит множество процессов. Некоторые из них мы можем наблюдать - дыхание, прием пищи, избавление от продуктов жизнедеятельности, получение информации органами чувств и забывание этой информации. Но большая часть химических процессов скрыта от глаз.
Справка. Классификация
По-научному, обмен веществ это метаболизм.
Метаболизм обычно делят на две стадии:в ходе катаболизма сложные органические молекулы распадаются на более простые, с получением энергии; (энергия тратится)
в процессах анаболизма затрачивается энергия на синтез из простых молекул сложных биомолекул. (энергия запасается)
Биомолекулы, как видно выше, делятся на малые молекулы и большие.
Малые:Липиды (жиры), фосфолипиды, гликолипиды, стеролы, глицеролипиды,
Витамины
Гормоны, нейромедиаторы
Метаболиты
Большие:
Мономеры, олигомеры и полимеры.
Мономеры Олигомеры Биополимеры
Аминокислоты Олигопептиды Полипептиды, белкиМоносахариды Олигосахариды Полисахариды (крахмал, целлюлоза)
Нуклеотиды Олигонуклеотиды Полинуклеотиды, (ДНК, РНК)
В столбце биополимеры находятся полинуклеотиды. Именно здесь находится рибонуклеиновая кислота - объект статьи.
Рибонуклеиновые кислоты. Строение, назначение.
На рисунке показана молекула РНК.
Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации.
Сходство и отличие РНК и ДНК
Как видно, есть внешнее сходство с известной структурой молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислотой).Однако, РНК может иметь как двухцепочечную структуру, так и одноцепочечную.
Нуклеотиды (пяти- и шестиугольники на рисунке)
Кроме того, нить РНК состоит из четырех нуклеотидов (или азотистых оснований, что одно и то же): аденин, урацил, гуанин и цитозин.
Нить ДНК же состоит из другого набора нуклеотидов: аденин, гуанин, тимин и цитозин.
Химическое строение полинуклеотида РНК:
Как видим, имеются характерные нуклеотиды урацил (для РНК) и тимин (для ДНК).
Все 5 нуклеотидов на рисунке:
Шестиугольники на рисунках - это бензольные кольца, в которые, вместо углерода, встраиваются другие элементы, в данном случае, это азот.
Бензол. Для справки.
Химическая формула бензола - C6H6. Т.е. в каждом угле шестиугольника находится атом углерода. 3 дополнительные внутренние линии в шестиугольнике указывают на наличие двойных ковалентных связей между этими атомами углерода. Углерод - элемент 4 группы периодической таблицы Менделеева, следовательно, у него 4 электрона могут образовать ковалентную связь. На рисунке - одна связь - с электроном водорода, вторая - с электроном углерода слева и еще 2 - с 2 электронами углерода справа. Впрочем, физически существует единое электронное облако, охватывающее все 6 атомов углерода бензола.
Соединение азотистых оснований
Комплементарные нуклеотиды друг с другом сцепляются (гибридизуются) с помощью водородных связей. Аденин комплементарен урацилу, а гуанин - цитозину. Чем длиннее на данной РНК комплементарные участки, тем прочнее будет образуемая ими структура; наоборот, короткие участки будут нестабильными. Это определяет функцию конкретной РНК.На рисунке фрагмент комплементарного участка РНК. Азотистые основания закрашены синим цветом
Структура РНК
Сцепление многих групп нуклеотидов образуют РНК-шпильки (первичная структура):
Множество шпилек в ленте сцепляются в двойную спираль. В развернутом виде такая структура напоминают дерево (Вторичная структура):
Спирали так же взаимодействуют друг с другом (третичная структура). Видно, как разные спирали соединены друг с другом:
Другие РНК сворачиваются аналогично. Напоминает набор лент (четвертичная структура).
Заключение
Для вычисления конформаций, которые примут РНК, по их первичной последовательности существуютКандидат биологических наук С. ГРИГОРОВИЧ.
На самой ранней заре своей истории, когда человек приобрел разум, а с ним и способность к абстрактному мышлению, он стал пленником непреодолимой потребности все объяснить. Почему светят Солнце и Луна? Почему текут реки? Как устроен мир? Безусловно, одним из самых главных был вопрос о сути живого. Резкое отличие живого, растущего, от мертвого, неподвижного, слишком бросалось в глаза, чтобы его можно было проигнорировать.
Первый вирус, описанный Д. Ивановским в 1892 году, - вирус табачной мозаики. Благодаря этому открытию стало ясно, что существуют живые создания более примитивные, чем клетка.
Русский микробиолог Д. И. Ивановский (1864-1920), основоположник вирусологии.
В 1924 году А. И. Опарин (1894-1980) высказал предположение, что в атмосфере молодой Земли, состоявшей из водорода, метана, аммиака, углекислого газа и паров воды, могли синтезироваться аминокислоты, которые затем спонтанно соединились в белки.
Американский биолог Освальд Эвери убедительно продемонстрировал в опытах с бактериями, что именно нуклеиновые кислоты отвечают за передачу наследственных свойств.
Сравнительная структура РНК и ДНК.
Двумерная пространственная структура рибозима простейшего организма Tetrahymena.
Схематическое изображение рибосомы - молекулярной машины для синтеза белка.
Схема процесса "эволюции в пробирке" (селекс-метод).
Луи Пастер (1822-1895) первым обнаружил, что кристаллы одного и того же вещества - винной кислоты - могут иметь две зеркально-симметричные пространственные конфигурации.
В начале 1950-х годов Стенли Миллер из Чикагского университета (США) проделал первый эксперимент, моделирующий химические реакции, которые могли протекать в условиях молодой Земли.
Хиральные молекулы, например аминокислоты, зеркально симметричны, как левая и правая рука. Сам термин "хиральность" происходит от греческого слова "хирос" - рука.
Теория РНК-мира.
Наука и жизнь // Иллюстрации
На каждом этапе истории люди предлагали свое решение загадки появления жизни на нашей планете. Древние, не знавшие слова "наука", находили для неизвестного простое и доступное объяснение: "Все, что есть вокруг, было когда-то и кем-то создано". Так появились боги.
Со времен зарождения древних цивилизаций в Египте, Китае, затем и в колыбели современной науки - Греции, вплоть до Средних веков, основным методом познания мира служили наблюдения и мнения "авторитетов". Постоянные наблюдения однозначно свидетельствовали, что живое при соблюдении определенных условий появляется из неживого: комары и крокодилы - из болотной тины, мухи - из гниющей пищи, а мыши - из грязного белья, пересыпанного пшеницей. Важно лишь соблюсти определенную температуру и влажность.
Европейские "ученые" Средневековья, опираясь на религиозную догму о сотворении мира и непостижимости божественных замыслов, считали возможным спорить о зарождении жизни только в рамках Библии и религиозных писаний. Суть сотворенного Богом невозможно постичь, а можно лишь "уточнить", пользуясь сведениями из священных текстов или находясь под влиянием божественного вдохновения. Проверять гипотезы в то время считалось плохим тоном, и всякая попытка подвергнуть сомнению мнение святой церкви рассматривалась как дело небогоугодное, ересь и святотатство.
Познание жизни топталось на месте. Вершиной научной мысли в течение двух тысяч лет оставались достижения философов Древней Греции. Наиболее значимыми из них были Платон (428/427 - 347 гг. до н. э.) и его ученик Аристотель (384 - 322 гг. до н. э.). Платон в числе прочего предложил идею одушевления изначально неживой материи благодаря вселению в нее бессмертной нематериальной души - "психеи". Так появилась теория самозарождения живого из неживого.
Великое для науки слово "эксперимент" пришло с эпохой Возрождения. Две тысячи лет понадобились для того, чтобы человек решился усомниться в непреложности авторитетных утверждений ученых древности. Одним из первых смельчаков, известных нам, стал итальянский врач Франсиско Реди (1626 - 1698). Он провел чрезвычайно простой, но эффектный опыт: поместив в несколько сосудов по куску мяса, одни из них накрыл плотной тканью, другие - марлей, а третьи оставил открытыми. Тот факт, что личинки мух развивались только в открытых сосудах (на которые могли садиться мухи), но не в закрытых (к которым все же был доступ воздуха), резко противоречил верованиям сторонников Платона и Аристотеля о непостижимой жизненной силе, носящейся в воздухе и превращающей неживую материю в живую.
Этот и подобные ему опыты положили начало периоду ожесточенных сражений между двумя группами ученых: виталистами и механистами. Суть спора состояла в вопросе: "Может ли функционирование (и появление) живого быть объяснено физическими законами, применимы ми также и к неживой материи?" Виталисты отвечали на него отрицательно. "Клетка - только из клетки, все живое - только от живого!" Это положение, выдвинутое в середине XIX века, стало знаменем витализма. Самое парадоксальное в этом споре то, что даже сегодня, зная о "неживой" природе составляющих наш организм атомов и молекул и в общем согласившись с механистической точкой зрения, ученые не имеют экспериментального подтверждения возможности зарождения клеточной жизни из неодушевленной материи. Никому еще не удалось "составить" даже самую примитивную клетку из "неорганических", присутствующих вне живых организмов, "деталей". А значит, окончательную точку в этом эпохальном споре еще предстоит поставить.
Так как же могла возникнуть жизнь на Земле? Разделяя позиции механистов, легче всего конечно же представить, что жизнь сначала должна была возникнуть в какой-нибудь очень простой, примитивно устроенной форме. Но, несмотря на простоту строения, это все же должна быть Жизнь, то есть то, что обладает минимальным набором свойств, отличающих живое от неживого.
Каковы же они, эти критически важные для жизни свойства? Что, собственно, отличает живое от неживого?
До конца XIX века ученые были убеждены, что все живое построено из клеток, и это является самым очевидным отличием его от неживой материи. Так считали до открытия вирусов, которые, хотя и меньше всех известных клеток, могут активно заражать другие организмы, размножаться в них и производить потомство, обладающее такими же (или очень похожими) биологическими свойствами. Первый из обнаруженных вирусов, вирус табачной мозаики, описан русским ученым Дмитрием Ивановским (1864-1920) в 1892 году. С той поры стало ясно, что более примитивные создания, чем клетки, могут также претендовать на право называться Жизнью.
Открытие вирусов, а затем и еще более примитивных форм живого - вироидов позволило в итоге сформулировать минимальный набор свойств, которые необходимы и достаточны, чтобы исследуемый объект можно было назвать живым. Во-первых, он должен быть способен к воспроизводству себе подобных. Это, однако, не единственное условие. Если бы гипотетическая первородная субстанция жизни (например, примитивная клетка или молекула) была способна лишь просто производить свои точные копии, она в итоге не смогла бы выжить в меняющихся условиях окружающей среды на молодой Земле и образование других, более сложных форм (эволюция) стало бы невозможным. Следовательно, нашу предполагаемую примитивную "субстанцию первожизни" можно определить как нечто, устроенное максимально просто, но при этом способное изменяться и передавать свои свойства потомкам.
Молекулярная биология является одним из важнейших разделов биологических наук и подразумевает детализированное изучение клеток живых организмов и их составляющих. В сферу ее исследований входит множество жизненно важных процессов, таких как рождение, дыхание, рост, смерть.
Бесценным открытием молекулярной биологии стала расшифровка генетического кода высших существ и определение способности клетки хранить и передавать генетическую информацию. Основная роль в этих процессах принадлежит нуклеиновым кислотам, которых в природе различают два вида – ДНК и РНК. Что представляют собой эти макромолекулы? Из чего они состоят и какие биологические функции выполняют?
Что такое ДНК?
ДНК расшифровывается как дезоксирибонуклеиновая кислота. Она представляет собой одну из трех макромолекул клетки (две другие – белки и рибонуклеиновая кислота), которая обеспечивает сохранение и передачу генетического кода развития и деятельности организмов. Простыми словами, ДНК – носитель генетической информации. В ее составе содержится генотип индивида, который обладает способностью к самовоспроизводству и передает информацию по наследству.
Как химическое вещество кислота была выделена из клеток еще в 1860-х годах, однако вплоть до середины XX столетия никто и не предполагал, что она способна хранить и передавать информацию.
Долгое время считалось, что эти функции выполняют белки, однако в 1953 году группа биологов сумела значительно расширить понимание сути молекулы и доказать первостепенную роль ДНК в сохранении и передаче генотипа. Находка стала открытием века, а ученые получили за свою работу Нобелевскую премию.
Из чего состоит ДНК?
ДНК является крупнейшей из биологических молекул и представляет собой четыре нуклеотида, состоящих из остатка фосфорной кислоты. В структурном отношении кислота достаточно сложная. Ее нуклеотиды соединяются между собой длинными цепями, которые объединяются попарно во вторичные структуры – двойные спирали.
ДНК имеет свойство повреждаться радиацией или различными окисляющими веществами, в силу чего в молекуле происходит процесс мутации. Функционирование кислоты напрямую зависит от ее взаимодействия с еще одной молекулой – белками. Вступая с ними во взаимосвязь в клетке, она образует вещество хроматин, внутри которого осуществляется реализация информации.
Что такое РНК?
РНК – это рибонуклеиновая кислота, содержащая в себе азотистые основания и остатки фосфорных кислот.
Существует гипотеза, что она является первой молекулой, получившей способность к самовоспроизводству еще в эпоху формирования нашей планеты – в добиологических системах. РНК и сегодня входит в геномы отдельных вирусов, выполняя в них ту роль, которую у высших существ играет ДНК.
Рибонуклеиновая кислота состоит из 4-х нуклеотидов, но вместо двойной спирали, как в ДНК, ее цепочки соединяются одинарной кривой. В нуклеотидах содержится рибоза, принимающая активное участие в обмене веществ. В зависимости от способности кодировать белок РНК делятся на матричную и некодирующие.
Первая выступает своего рода посредником в передаче закодированной информации рибосомам. Вторые не могут кодировать белки, но обладают другими возможностями – трансляцией и лигированием молекул.
Чем ДНК отличается от РНК?
По своему химическому составу кислоты очень схожи друг с другом. Обе относятся к линейным полимерам и являют собой N-гликозид, созданный из остатков пятеуглеродного сахара. Разница между ними в том, что сахарный остаток РНК – это рибоза, моносахарид из группы пентоз, легко растворяющийся в воде. Сахарный остаток ДНК – это дезоксирибоза, или производная рибозы, имеющая несколько иную структуру.
В отличие от рибозы, формирующей кольцо из 4 атомов углерода и 1 атома кислорода, в дезоксирибозе второй атом углерода замещается водородом. Еще одно отличие между ДНК и РНК заключается в их размерах – более крупная. Кроме этого, среди четырех нуклеотидов, входящих в ДНК, один представляет собой азотистое основание под названием тимин, тогда как в РНК вместо тимина присутствует его разновидность – урацил.
РНК,как и ДНК, представляет собой полинуклеотид. Структура нуклеотидов РНК с таковой ДНК, но имеются следующие отличия:
- Вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов РНК входит пятиуглеродный сахар- рибоза;
- Вместо азотистого основания тимина- урацил;
- Молекула РНК обычно представлена одной цепочкой (у некоторых вирусов- двумя);
В клетках существуют три типа РНК: информационная,транспортная и рибосомальная.
Инфармационная РНК (и-РНК) представляет собой копию определённого участка ДНК и выполняет роль переносчика генетической информации от ДНК к месту синтеза белка (рибосомы) и непосредственно участвует в сборке его молекул.
Транспортные РНК (т-РНК)переносят аминокислоты из цитоплазмы в рибосомы.
Рибосомальная РНК (р-РНК) входит в состав рибосом. Считают, что р-РНК обеспечивает определённое пространственное взаиморасположение и-РНК и т-РНК.
Роль РНК в процессе реализации наследственной информации.
Наследственная информация, записанная с помощью генетического кода, хранится в молекулах ДНК и размножается для того, чтобы обеспечить вновь образуемые клетки необходимыми «инструкциями» для их нормального развития и функционирования. Вместе с тем непосредственного участия в жизнеобеспечении клеток ДНК не принимает. Роль посредника, функцией которого является перевод наследственной информации, сохраняемой в ДНК, в рабочую форму, играют рибонуклеиновые кислоты - РНК.
В отличие от молекул ДНК рибонуклеиновые кислоты представлены одной полинуклеотидной цепью, которая состоит из четырех разновидностей нуклеотидов, содержащих сахар, рибозу, фосфат и одно из четырех азотистых оснований - аденин, гуанин, урацил или цитозин. РНК синтезируется на молекулах ДНК при помощи ферментов РНК-полимераз с соблюдением принципа комплементарности и антипараллельности, причем аденину ДНК в РНК комплементарен урацил. Все многообразие РНК, действующих в клетке, можно разделить на три основных вида: мРНК, тРНК, рРНК.
По химической организации материала наследственности и изменчивости эукариотические и прокариотические клетки принципиально не отличаются друг от друга. Генетический материал у них представлен ДНК. Общим для них является и принцип записи генетической информации, а также генетический код. Одни и те же аминокислоты шифруются у про- и эукариот одинаковыми кодонами. Принципиально одинаковым образом у названных типов клеток осуществляется и использование наследственной информации, хранящейся в ДНК. Сначала она транскрибируется в нуклеотидную последовательность молекулы мРНК, а затем транслируется в аминокислотную последовательность пептида на рибосомах с участием тРНК. Однако некоторые особенности организации наследственного материала, отличающие эукариотические клетки от прокариотических, обусловливают различия в использовании их генетической информации.
Наследственный материал прокариотической клетки содержится главным образом в единственной кольцевой молекуле ДНК. Она располагается непосредственно в цитоплазме клетки, где также находятся необходимые для экспрессии генов тРНК и ферменты, часть из которых заключена в рибосомах. Гены прокариот состоят целиком из кодирующих нуклеотидных последовательностей, реализующихся в ходе синтеза белков, тРНК или рРНК.
Наследственный материал эукариот больше по объему, чем у прокариот. Он расположен в основном в особых ядерных структурах -хромосомах , которые отделены от цитоплазмы ядерной оболочкой. Необходимый для синтеза белков аппарат, состоящий из рибосом, тРНК, набора аминокислот и ферментов, находится в цитоплазме клетки.
Значительные отличия имеются в молекулярной организации генов эукариотической клетки. В большинстве из них кодирующие последовательности экзоны прерываются интронными участками, которые не используются при синтезе т-РНК, р-РНК или пептидов. Количество таких участков варьирует в разных генах.. Эти участки удаляются из первично-транскрибируемой РНК, в связи с чем использование генетической информации в эукариотической клетке происходит несколько иначе. В прокариотической клетке, где наследственный материал и аппарат биосинтеза белка пространственно не разобщены, транскрипция и трансляция происходят почти одновременно. В эукариотической клетке эти два этапа не только пространственно отделены ядерной оболочкой, но и во времени их разделяют процессы созревания м-РНК, из которой должны быть удалены неинформативные последовательности.
Кроме указанных различий на каждом этапе экспрессии генетической информации можно отметить некоторые особенности течения этих процессов у про- и эукариот.
