Цитология - Наталья Стволинская

4. В чем значение правильных пространственных конфигураций белковых молекул?

5. Каким образом формируется глобулярная структура белка?

6. Приведите пример белка, для которого характерна четвертичная структура.

7. Что такое полипептид?

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК – необходимы для жизни. Они представляют собой генетический материал всех живых организмов вплоть до самых простых вирусов. Открытие структуры ДНК, одного из типов нуклеиновых кислот, позволило понять, каким образом в ней кодируется генетическая информация, необходимая живым организмам для регуляции жизнедеятельности. Понимание структуры ДНК навело на мысль о том, как эта информация удваивается, без чего невозможно размножение клеток и организмов.

Нуклеиновые кислоты являются длинными полимерными молекулами. Например, длина молекулы ДНК может достигать нескольких сантиметров. Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Сахара в молекулах ДНК и РНК различаются: в ДНК – дезоксирибоза, в РНК – рибоза. Специфичность молекул ДНК и РНК определяется последовательностью азотистых оснований или нуклеотидов. Азотистые основания и нуклеотиды принято обозначать первой буквой их названия. В состав ДНК входят четыре типа азотистых оснований: А (аденин), Г (гуанин), Т (тимин), Ц (цитозин). В состав РНК – так же четыре, но вместо тимина (Т) урацил (У).

Нуклеиновые кислоты являются кислотами потому, что в их молекулах содержится очень большое количество остатков фосфорной кислоты. Каждый нуклеотид, являющийся мономером ДНК или РНК, имеет в своем составе остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды соединяются друг с другом в длинные полимерные молекулы с помощью фосфатных группировок. Остатки фосфорной кислоты соединяют между собой сахара посредством прочной ковалентной фосфодиэфирной связи. Образуется длинный неразветвленный сахарофосфатный остов полинуклеотида, который является прочным и стабильным. Это очень важно, так как в результате уменьшается риск нарушений структуры в молекулах ДНК и РНК.

Структура ДНК. ДНК состоит из двух длинных полинуклеотидных цепей. Длина молекулы может доходить до нескольких сантиметров. Каждая цепь закручена в спираль вправо. Две цепи свиты вместе, закручены вправо вокруг одной и той же оси, в результате чего образуется двойная спираль. Две цепи двойной спирали антипараллельны, то есть направлены в противоположные стороны (рис. 3.3), направление расположения сахаров противоположно. Каждая цепь состоит из сахарофосфатного остова, вдоль которого перпендикулярно длинной оси располагаются азотистые основания. Азотистые основания двух цепей двойной спирали ДНК находятся строго друг против друга, перпендикулярно длинной оси. Азотистые основания двух цепей связаны между собой слабыми водородными связями. Промежуток между цепями имеет постоянный размер. Он равен расстоянию, занимаемому парой азотистых оснований. Аденин всегда спаривается только с тимином (А – Т), а гуанин – с цитозином (Г – Ц). Последовательность нуклеотидов одной цепи ДНК определяет последовательность нуклеотидов другой цепи. Поэтому говорят, что две цепи двойной спирали ДНК комплементарны друг другу. Никаких ограничений относительно последовательности нуклеотидов в одной цепи ДНК не существует. На один полный оборот двойной спирали приходится 10 пар азотистых оснований. Вдоль оси молекулы соседние пары оснований располагаются на расстоянии 0,34 нм одна от другой, строго периодично.

Рис. 3.3. Схема антипараллельности двух нитей в молекуле ДНК. Сахара двух нитей имеют противоположное направление.

Вопросы

1. Назовите азотистые основания, входящие в состав молекул ДНК и РНК. Какое азотистое основание присутствует в ДНК и отсутствует в РНК?

2. Что такое нуклеотид?

3. Как связаны между собой нуклеотиды в составе нуклеиновых кислот?

4. Что такое сахарофосфатный остов?

5. В чем принцип комплементарности азотистых оснований в молекуле ДНК? Приведите примеры.

6. Объясните структуру молекулы ДНК.

7. Что вы знаете о строении молекул РНК?

Функции РНК. Молекулы РНК в несколько раз меньше, чем молекулы ДНК. РНК, в отличие от ДНК, является одноцепочечной молекулой, хотя отдельные участки могут быть комплементарны друг другу, за счет чего образуются небольшие двуспиральные участки – «шпильки». Это важно при образовании пространственной структуры молекул РНК (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Схема участка одинарной цепи РНК. Присутствуют короткие спаренные области, образованные за счет комплементарности азотистых оснований в небольших участках молекулы (по Албертс, Брей, Льюис и др., 1994).

РНК – это класс разнообразных по размерам и функциям молекул, которые служат посредником при реализации генетической информации в процессе биосинтеза белка. Все типы молекул РНК образуются на молекуле ДНК, как на матрице, по принципу комплементарности азотистых оснований:

Этот процесс образования РНК на одной из цепей молекулы ДНК называется транскрипцией. Во время транскрипции двуспиральная молекула ДНК раскручивается на небольшом участке, где происходит синтез РНК. Затем РНК отделяется от участка молекулы ДНК, а ДНК опять скручивается в двойную спираль. Молекулы РНК перемещаются из ядра в цитоплазму. В клетке процесс транскрипции и созревания молекул РНК, а также их выход в цитоплазму, происходит в несколько этапов, с участием большого количества ферментов, разнообразных структурных и регуляторных белков. Но наша задача – усвоить принцип процессов, обеспечивающих биосинтез белка, а, следовательно, процесс реализации генетической информации.

В клетке различают три основных класса молекул РНК: мРНК (матричная РНК), тРНК (транспортная РНК) и рРНК (рибосомная РНК). Матричную РНК часто называют информационной РНК (иРНК), это синонимы.

Матричная РНК, попадая в цитоплазму, соединяется с рибосомой. Последовательность нуклеотидов мРНК кодирует определенную последовательность аминокислот в молекуле белка.

Транспортная РНК также находится в цитоплазме вблизи рибосом. Она транспортирует аминокислоту из жидкой фазы цитоплазмы в рибосому. Транспортную РНК иногда называют трансферной, или адаптерной. Количество разных тРНК велико, так как каждой аминокислоте соответствует своя тРНК.

Рибосомная РНК представлена несколькими молекулами разного размера, которые входят в состав рибосом. Рибосомы почти полностью образуются в ядре, а потом в виде двух незрелых субъединиц выходят в цитоплазму. Следовательно, отдельных молекул рРНК в цитоплазме нет.

Таким образом, ДНК и РНК играют ключевую роль в кодировании и реализации генетической информации.

Функции ДНК. Одна из главных функций ДНК – кодирование генетической информации. Длинные молекулы ДНК «разделены» на отдельные участки, каждый из которых кодирует один полипептид. Такой участок ДНК называют геном. В одной молекуле ДНК может находиться от нескольких сотен до нескольких тысяч генов. Ключом к кодированию генетической информации является генетический код.

Генетический код – это последовательность трех нуклеотидов, которая кодирует одну аминокислоту полипептида. Итак, ген – это большой участок молекулы ДНК, а генетический код имеет в своем составе всего три нуклеотида.

Принцип кодирования одинаков для всех живых организмов. Это свойство генетического кода называют универсальностью. Универсальность генетического кода говорит о том, что принцип кодирования сложился на самых ранних этапах эволюции, еще в те времена, когда на Земле, кроме прокариот, не было других живых организмов.

Кроме триплетности и универсальности у генетического кода есть еще одно важное свойство – вырожденность. Оно означает, что одна аминокислота может быть закодирована не одним триплетом, а двумя, тремя, или даже четырьмя вариантами триплетов.

Таким образом, генетическая информация в ДНК закодирована в генах с помощью генетического кода.

Для сохранения жизни на Земле должен существовать не только принцип кодирования генетической информации, но и способ ее удвоения. Клетки делятся, из одной получаются две, и каждая из дочерних клеток должна получить идентичную генетическую информацию от материнской клетки.

Уникальным свойством воспроизведения себе подобной обладает только молекула ДНК. Процесс удвоения молекулы ДНК называется репликацией. Он сходен у прокариот и эукариот. У эукариот репликация ДНК происходит в ядре только во время S-фазы клеточного цикла и длится 9–10 часов. У прокариот молекула ДНК короче и реплицируется в течение 20–30 минут непосредственно в цитоплазме.

Принцип репликации простой: две нити двуспиральной молекулы ДНК отходят друг от друга, и на каждой из них синтезируется новая нить, комплементарная данной. Свойство комплементарности азотистых оснований обеспечивает образование двух новых молекул, полностью идентичных материнской ДНК. Каждая из двух новых молекул будет содержать одну нить ДНК исходную, материнскую, а другую новую, синтезированную заново. Такой способ репликации называют полуконсервативным (рис. 3.5).