1.2: Структура ДНК та РНК

ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) і РНК (рибонуклеїнова кислота) складаються з двох різних класів азотовмісних підстав: пуринів і піримідинів. Найбільш часто зустрічаються пурини в ДНК – це аденін і гуанін: Малюнок 1.2.1: Пурини Найбільш часто зустрічаються піримідини в ДНК – це цитозин і тимін: Малюнок 1.2.2: Пірамідини РНК містить ті ж основи, що і ДНК, за винятком тиміну. Замість РНК містить піримідин урацил: Малюнок 1.2.3: Тимін проти Урацилу Аденін, гуанін, цитозин, тимін і урацил зазвичай скорочуються за допомогою однолітерних кодів A, G, C, T і U відповідно. Пурини та піримідини можуть утворювати хімічні зв’язки з пентозними (5-вуглецевими) цукрами. Атоми вуглецю на цукрах позначаються 1′, 2′, 3′, 4′ і 5′. Це 1′ вуглець цукру, який зв’язується з атомом азоту в положенні N1 піримідину або N9 пурину. Попередники ДНК містять пентозу дезоксирибозу. Попередники РНК містять пентозу рибозу (яка містить додаткову групу OH в положенні 2′): Малюнок 1.2.4: Нуклеозиди Перш ніж нуклеозид може стати частиною молекули ДНК або РНК, він повинен комплексуватися з фосфатною групою, щоб утворити нуклеотид (або дезоксирибонуклеотид, або рибонуклеотид). Нуклеотиди можуть мати 1, 2 або 3 фосфатні групи, наприклад, нуклеотиди аденозинмонофосфат (АМФ), аденозиддифосфат (АДФ) та аденозинтрифосфат (АТФ). Фосфатні групи прикріплені до 5′ вуглецю рибозного цукру фрагмента. Починаючи з фосфатної групи, прикріпленої до 5′ рибози вуглецю, вони маркуються a , b і g фосфат. Це трифосфатний нуклеотид, який включений в ДНК або РНК. Малюнок 1.2.5: Нуклеотид ДНК і РНК – це просто довгі полімери нуклеотидів, які називаються полінуклеотидами. До складу полімеру входить тільки фосфат. Він стає хімічно зв’язаним з 3′ вуглецем цукрового фрагмента іншого нуклеотиду: Малюнок 1.2.6: Полінуклеотид Іншими словами, полінуклеотид з’єднаний серією від 5 до 3′ фосфатних зв’язків. Зверніть увагу на послідовність підстав на наведеній вище схемі. Полінуклеотидні послідовності посилаються в напрямку 5′ до 3′. Як правило, полінуклеотиди будуть містити 5′ фосфат і 3′ гідроксильні термінальні групи. Загальне уявлення полінуклеотидів – це стрілка з 5′ кінцем зліва і 3′ кінцем праворуч. Резюме термінів:

База	Нуклеозид	Нуклеотид	РНК (монофосфат)	ДНК (монофосфат)	Код
Аденін	Аденозин	(Аденілова кислота)	ПІДСИЛЮВАЧ	вологий	A
Гуанін	гуанозин	(Гуанілова кислота)	ГМП	dGMP	Г
Цитозин	Цитидин	(Цитидилова кислота)	ЦМП	DcMP	C
тимін	тимідин	(Тимідилова кислота)	ДТМП	Т
Урацил	Уридин	(Уридилова кислота)	ПЕРЕКАЧКА	У

• 34 Å за спіральний повторення
• 10 пар основи за повторення (тобто за оборот спіралі)
• 3.4 Å міжбазова відстань укладання
• 20 Å діаметр для ширини гвинта

Фізичні характеристики моделі збігалися з тими, які були визначені рентгенівськими дифракційними дослідженнями Розалінд Франклін.

Наслідки моделі для генетичної інформації:

Документ Watson and Crick був вправою стислості (1 сторінка лише в Природі). Структура була настільки багата з підтекстом, що можна було написати зовсім небагато. Автори, однак, вирішили лише сказати: «Це не уникнуло нашого повідомлення, що конкретне сполучення, яке ми постулювали, негайно передбачає можливий механізм копіювання генетичного матеріалу».

1. Якщо G завжди в парі з C, а T завжди в парі з A, то будь-яка пасмо може бути регенерована з додаткової інформації в іншій пасма.
2. Основою комплементарності був водневий зв’язок, тобто нековалентні взаємодії, які можна було легко розірвати і повторно сформувати.
3. Інформація, яку здійснювала ДНК, перебувала в межах унікальної базової послідовності ДНК.
4. Із загального внутрішнього розташування баз, здавалося б, що подвійна спіраль повинна була б від’єднатися, щоб отримати доступ до інформації.
5. Нерівнянне розташування цукрових фрагментів (див. Вище) припускало, що спіраль ДНК матиме велику канавку та незначну канавку.

Загальні позначення подвійної багатониткової ДНК:

• Was this article helpful?
• Yes
• No

10.3: Структура та функція РНК

Структурно кажучи, рибонуклеїнова кислота (РНК), досить схожа на ДНК. Однак, хоча молекули ДНК, як правило, довгі і дволанцюгові, молекули РНК набагато коротші і, як правило, одноланцюгові. Молекули РНК виконують різноманітні ролі в клітині, але в основному беруть участь у процесі синтезу (трансляції) білка та його регуляції.

Структура РНК

РНК, як правило, одножильний і виготовляється з рибонуклеотидів, які пов’язані фосфодіефірними зв’язками. Рибонуклеотид в ланцюжку РНК містить рибозу (пентозний цукор), одну з чотирьох азотистих підстав (A, U, G і C) та фосфатну групу. Тонка структурна різниця між цукрами надає ДНК додаткову стабільність, роблячи ДНК більш придатною для зберігання генетичної інформації, тоді як відносна нестабільність РНК робить її більш придатною для своїх короткострокових функцій.

Малюнок \(\PageIndex\) : (а) Рибонуклеотиди містять пентозу цукрової рибози замість дезоксирибози, виявленої в дезоксирибонуклеотидах. (b) РНК містить піримідин урацил замість тиміну, знайденого в ДНК.

РНК-специфічний піримідин урацил утворює комплементарну базову пару з аденіном і використовується замість тиміну, що використовується в ДНК. Незважаючи на те, що РНК є однониткою, більшість типів молекул РНК демонструють широке внутрішньомолекулярне сполучення основи між комплементарними послідовностями всередині ланцюга РНК, створюючи передбачувану тривимірну структуру, необхідну для їх функції \(\PageIndex\) (рис \(\PageIndex\) .

Малюнок \(\PageIndex\) : (а) ДНК, як правило, дволанцюгова, тоді як РНК, як правило, одноланцюгова. (b) Хоча це одножильний, РНК може складатися на себе, при цьому складки стабілізуються короткими ділянками комплементарного сполучення основи всередині молекули, утворюючи тривимірну структуру.

Чим структура РНК відрізняється від структури ДНК?

Функції РНК в синтезі білка

Клітини отримують доступ до інформації, що зберігається в ДНК, створюючи РНК для направлення синтезу білків через процес трансляції. Білки всередині клітини мають багато функцій, включаючи побудову клітинних структур і служать ферментними каталізаторами клітинних хімічних реакцій, які надають клітинам їх специфічні характеристики. Три основні типи РНК, які безпосередньо беруть участь у синтезі білка, – це месенджерна РНК (мРНК), рибосомна РНК (рРНК) та трансферна РНК (тРНК).

У 1961 році французькі вчені Франсуа Якоб і Жак Монод висунули гіпотезу про існування посередника між ДНК і її білковими продуктами, який вони назвали месенджерної РНК. 1 Докази, що підтверджують їхню гіпотезу, були зібрані незабаром після цього, що інформація з ДНК передається рибосомі для синтезу білка за допомогою мРНК. Якщо ДНК служить повною бібліотекою клітинної інформації, мРНК служить ксерокопією конкретної інформації, необхідної в конкретний момент часу, яка служить інструкцією для виготовлення білка.

МРНК несе повідомлення з ДНК, яка контролює всю клітинну діяльність в клітині. Якщо клітині потрібен певний білок для синтезу, ген цього продукту «включається» і мРНК синтезується через процес транскрипції (див. Транскрипція РНК). Потім мРНК взаємодіє з рибосомами та іншими клітинними механізмами (рис. \(\PageIndex\) ), щоб направити синтез білка, який він кодує в процесі трансляції (див. Синтез білка). мРНК відносно нестабільна і короткочасна в клітині, особливо в прокаріотичних клітині, забезпечуючи що білки виготовляються лише тоді, коли це необхідно.

Малюнок \(\PageIndex\) : Узагальнена ілюстрація того, як мРНК і тРНК використовуються в синтезі білка всередині клітини.

рРНК і тРНК є стабільними типами РНК. У прокаріотів і еукаріотів тРНК і рРНК кодуються в ДНК, потім копіюються в довгі молекули РНК, які розрізаються, щоб звільнити менші фрагменти, що містять окремі зрілі види РНК. У еукаріотів синтез, різання та складання рРНК в рибосоми відбувається в ядерцевій області ядра, але ця діяльність відбувається в цитоплазмі прокаріотів. Жоден з цих типів РНК не несе вказівок спрямовувати синтез поліпептиду, але вони відіграють інші важливі ролі в синтезі білка.

Рибосоми складаються з рРНК і білка. Як випливає з назви, рРНК є основною складовою рибосом, складаючи приблизно 60% рибосоми за масою і забезпечуючи місце, де мРНК зв’язується. РРНК забезпечує належне вирівнювання мРНК, тРНК та рибосом; рРНК рибосоми також має ферментативну активність (пептидилтрансфераза) і каталізує утворення пептидних зв’язків між двома вирівняними амінокислотами під час синтезу білка. Незважаючи на те, що рРНК давно вважалося служити в першу чергу структурній ролі, її каталітична роль в рибосомі була доведена в 2000 році. 2 Вчені в лабораторіях Томаса Штайца (1940—) та Пітера Мура (1939—) Єльського університету змогли кристалізувати рибосому структуру з Haloarcula marismortui, галофільного археона, ізольованого з Мертвого моря. Через важливість цієї роботи Штайц поділився Нобелівською премією з хімії 2009 року з іншими вченими, які внесли значний внесок у розуміння структури рибосом.

Перенесення РНК є третім основним типом РНК і одним з найменших, зазвичай всього 70-90 нуклеотидів довжиною. Він несе правильну амінокислоту до місця синтезу білка в рибосомі. Саме сполучення основи між тРНК та мРНК дозволяє вставити правильну амінокислоту в синтезується поліпептидний ланцюг (рис. \(\PageIndex\) ). Будь-які мутації в тРНК або рРНК можуть призвести до глобальних проблем для клітини, оскільки обидва необхідні для правильного синтезу білка (Таблиця \(\PageIndex\) ).

Малюнок \(\PageIndex\) : Молекула тРНК – це одноцепочечная молекула, яка проявляє значне внутрішньоклітинне сполучення основи, надаючи їй характерну тривимірну форму.

Таблиця \(\PageIndex\) : Будова і функції РНК

мРНК	рРНК	тРНК
Структура	Коротка, нестабільна, одноланцюгова РНК, що відповідає гену, закодованому в ДНК	Довші, стабільні молекули РНК, що складають 60% маси рибосоми	Коротка (70-90 нуклеотидів), стабільна РНК з великим внутрішньомолекулярним сполученням основи; містить місце зв’язування амінокислот і місце зв’язування мРНК
Функція	Служить посередником між ДНК та білком; використовується рибосомою для прямого синтезу білка, який він кодує	Забезпечує належне вирівнювання мРНК, тРНК та рибосоми під час синтезу білка; каталізує утворення пептидних зв’язків між амінокислотами	Проносить правильну амінокислоту до місця синтезу білка в рибосомі

Які функції виконують три основні типи молекул РНК, що беруть участь у синтезі білка?

РНК як спадкова інформація

Хоча РНК не служить спадковою інформацією у більшості клітин, РНК виконує цю функцію для багатьох вірусів, які не містять ДНК. Таким чином, РНК явно має додаткову здатність служити генетичною інформацією. Хоча РНК, як правило, одноланцюгова всередині клітин, існує значна різноманітність вірусів. Риновіруси, які викликають застуду; віруси грипу; і вірус Ебола – це одноланцюгові РНК-віруси. Ротавіруси, які викликають важкий гастроентерит у дітей та інших осіб з ослабленим імунітетом, є прикладами дволанцюгових РНК-вірусів. Оскільки дволанцюгова РНК зустрічається рідко в еукаріотичних клітині, її наявність служить показником вірусної інфекції. Наслідки для вірусу, що має геном РНК замість генома ДНК, більш детально розглядаються в розділі Віруси.

Ключові поняття та резюме

• Рибонуклеїнова кислота (РНК), як правило, однониткова і містить рибозу як пентозу цукру і піримідин урацил замість тиміну. Пасмо РНК може піддаватися значному внутрішньомолекулярному сполученню основи, щоб набути тривимірної структури.
• Існує три основних типи РНК, всі беруть участь в синтезі білка.
• Messenger РНК (мРНК) служить посередником між ДНК і синтезом білкових продуктів при трансляції.
• Рибосомна РНК (рРНК) – це тип стабільної РНК, яка є основною складовою рибосом. Він забезпечує належне вирівнювання мРНК і рибосом під час синтезу білка і каталізує утворення пептидних зв’язків між двома вирівняними амінокислотами при синтезі білка.
• Трансферна РНК (тРНК) – це невеликий тип стабільної РНК, який переносить амінокислоту до відповідного місця синтезу білка в рибосомі. Саме сполучення основи між тРНК та мРНК дозволяє вставити правильну амінокислоту в синтезується поліпептидний ланцюг.
• Хоча РНК не використовується для довгострокової генетичної інформації в клітині, багато вірусів використовують РНК як свій генетичний матеріал.

Виноски

1. 1 А. Багатий. «Ера пробудження РНК: структурна біологія РНК в ранні роки». Квартальні огляди біофізики 42 № 2 (2009) :117—137.
2. 2 П. Ніссен та ін. «Структурні основи активності рибосом в синтезі пептидних зв’язків». Наука 289 № 5481 (2000) :920—930.

• Was this article helpful?
• Yes
• No