06.04.2015 13.10.2015

Все жизненные формы занимаются строительством и контактированием между собой. Изначально во всех клетках осуществляются оба этих процесса. ДНК выполняет строительство, а РНК — контактирование. Первые объективные сведения о них появились порядка 50-60 лет назад. Но, несмотря на все достижения их исследования, познания ученых о макромолекулах все еще отнюдь не полны.

История открытия

Выделение вещества и строение ДНК было осуществлено И.Ф.Мишером в далеком 1868 г. из остаточных элементов клеток, которые содержались в составе гноя. Сначала химическое вещество стало называться нуклеином. А после того, как ученый установил, что в составе макромолекулы есть кислотные особенности, вещество стало называться нуклеиновой кислотой. Сейчас оно называется дезоксирибонуклеиновой кислотой. Мало-помалу ученые доказали, что не белки, а именно исследуемая макромолекула – это носитель различных генетических сведений.
Значимость РНК в белочном синтезе было предположено еще в 1939 г. Т.О.Касперссоном, Ж.Брачетом и Д.Шульцом. Впоследствии Д.Маирбакс осуществил выделение матричной первой макромолекулы, которая кодировала кроличий гемоглобин, показав в виде таблицы, когда она направляется в ооциты, создается идентичный вещество-белок.
1953 год ознаменовался новой стадией изучения строения молекулы. Учеными благодаря выявлению ее структурных особенностей и состава, способствовали появлению молекулярной биологической науки.

Описание

После зарождения новой биологической был выражен ее главный постулат: ДНК-РНК-белок. Другими словам, сведения, которые содержатся в генном веществе, осуществляются в качестве белков, но не напрямую, а через подобного основания РНК-полимера. В итоге ДНК осуществляет синтез на ДНК, гарантируя собственный редупликационный процесс, то есть воспроизводится изначальная генная материя. В сравнении, РНК осуществляет синтез на основании азотистого строения ДНК и переписывает генетические сведения в качестве множества РНК-дубликатов.

Азотистые основания РНК-молекулы, являются матричными структурами для белочного процесса-синтеза – сведения о генетике передаются полипептидными цепочками, которые можно описать в виде таблицы. При этом появляется разборчивое впечатление о существенно более многообразных возможностях этой макромолекулы по сравнению с составом ДНК, которая существует, как правило, лишь с необходимостью сохранять и передавать черты наследственности.
Представленные макромолекулы различны своим составом и протяженностью цепочки полимеров, эти сведения отображают все таблицы по генетике. Состав наиболее протяженной макромолекулы ДНК в человеческих клетках входит 250млн. азотистых оснований — мономеров, а протяженность таковой — более 8 сантиметров. Таким образом, чтобы выразить порядок ДНК -нуклеотидов одной человеческой клеточки понадобятся больше 800 тыс. текстовых страниц в виде таблиц.

Использование в медицине и науке

Основания ДНК являются самыми оптимальными носителями различных сведений на планете. Несмотря на то, что первые образцы сохранения цифровых таблиц макромолекулой возникли около тридцати лет назад, лишь несколько лет назад гарвардские ученые сумели доподлинно раскрыть их состав и код. Они смогли сохранить порядка 700 терабайт сведений 1 грамма макромолекулы. Это равнозначно приблизительно 150 кг компьютерных винчестеров, а в форме макромолекулы — это только капелька.
Благодаря нынешним технологиям возможно считывать строение макромолекулы за несколько часов, но это очень дорогостоящая
работа. Поэтому, как правило, с практической точки зрения, возможности подобной формы сохранения сведений довольно ограничены. Но сама идея, что все знания человечества о мире могли бы сохраниться в пространстве, которое не превышает размеры холодильника, просто изумительна и не дает покоя ученым.
Важность изучения и применения оснований РНК была подтверждена Нобелевской медицинской премией, которую получил С.Очоа в 1959 г. за то, что открыл механизм РНК-синтеза. В 1965 г. в лабораторном учреждении Р.Холея был установлен порядок 77-ми веществ-нуклеотидов одной из тРНК дрожжей S.cerevisiae. За это открытие в 1968 г. он также был награжден Нобелевской медицинской премией.
В 1976 г. У.Фаэрс вместе со специалистами бельгийского университета Гента выявил первый порядок и состав генома содержащего РНК вируса-бактериофага MS 2. В начале 1990 – х гг. было установлено, что когда вводятся инородные гены в растительный геном, то это ведет к тому, что подавляется строение схожих растительных генов.

Сегодня существует множество различных ситуаций, где проявляется уникальные особенности представленных макромолекул. В частности, ученым стало известно, что из-за значительного выплеска радиации, выброшенной в атмосферу, в основании ДНК всех граждан, что родились по прошествии 1955г., входят в состав мелкие частички углерода-четырнадцать.

Интересно, что отдельная личность может быть наделена двумя комплектами оснований ДНК. Так, множества случаев беременностей завязываются таким образом, что часто какой-нибудь один из близняшек поглощает в себя иного еще до того, как обнаруживается зародыш. В 99-ти процентов явлений на этом все завершается, и многие люди живут без знания о том, что они – это один из образцов химеризма. Но при определенных обстоятельствах, если близняшка «вобрала» в себя собственную близняшку, то в нем может быть 2 разных комплекта макромолекулы. Зачастую это устанавливается во время исследований на совместимость, когда необходимо пересаживание органа от одного человека к другому.
Умение клетки ДНК самовыражаться могут наглядно продемонстрировать шелковичные черви. Благодаря макромолекуле клетка способна воссоздать всякое число РНК. Так, единственный ДНК-ген способен образовать приблизительно 1 тысяч дубликатов РНК, каждая из которых может транслировать сведения для формирования громадного числа веществ-протеинов шелковых нитей. На сегодня это наиболее показательный образец сооружения и контакта двух макромолекул, который дозволяет людям комфортно ощущать себя в легком облачении. Как правило, всего за 4 дня гены единственной клетки способны изготовить миллиард веществ-протеинов.

В зависимости от того, какой моносахарид содержится в структурном звене полинуклеотида - рибоза или 2-дезоксирибоза , различают

  • рибонуклеиновые кислоты (РНК) и
  • дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).
В главную (сахарофосфатную) цепь РНК входят остатки рибозы , а в ДНК – 2-дезоксирибозы .
Нуклеотидные звенья макромолекул ДНК могут содержать аденин, гуанин, цитозин и тимин . Состав РНК отличается тем, что вместо тимина присутствует урацил .

Молекулярная масса ДНК достигает десятков миллионов а.е.м. Это самые длинные из известных макромолекул. Значительно меньше молекулярная масса РНК (от нескольких сотен до десятков тысяч). ДНК содержатся в основном в ядрах клеток, РНК – в рибосомах и протоплазме клеток.

При описании строения нуклеиновых кислот учитывают различные уровни организации макромолекул: первичную и вторичную структуру.

  • Первичная структура нуклеиновых кислот – это нуклеотидный состав и определенная последовательность нуклеотидных звеньев в полимерной цепи.
Например:

В сокращённом однобуквенном обозначении эта структура записывается как ...– А – Г – Ц –...

  • Под вторичной структурой нуклеиновых кислот понимают пространственно упорядоченные формы полинуклеотидных цепей.
Вторичная структура ДНК представляет собой две параллельные неразветвленные полинуклеотидные цепи, закрученные вокруг общей оси в двойную спираль .

Такая пространственная структура удерживается множеством водородных связей, образуемых азотистыми основаниями, направленными внутрь спирали. Водородные связи возникают между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи. Эти основания составляют комплементарные пары (от лат. complementum - дополнение). Образование водородных связей между комплементарными парами оснований обусловлено их пространственным соответствием. Пиримидиновое основание комплементарно пуриновому основанию:


Водородные связи между другими парами оснований не позволяют им разместиться в структуре двойной спирали. Таким образом,

  • ТИМИН (Т) комплементарен АДЕНИНУ (А),
  • ЦИТОЗИН (Ц) комплементарен ГУАНИНУ (Г).
Комплементарность оснований определяет комплементарность цепей в молекулах ДНК.


Комплементарность полинуклеотидных цепей служит химической основой главной функции ДНК – хранения и передачи наследственных признаков.
Способность ДНК не только хранить, но и использовать генетическую информацию определяется следующими ее свойствами:

  • молекулы ДНК способны к репликации (удвоению), т.е. могут обеспечить возможность синтеза других молекул ДНК, идентичных исходным, поскольку последовательность оснований в одной из цепей двойной спирали контролирует их расположение в другой цепи (см. рисунок или ).

  • молекулы ДНК могут направлять совершенно точным и определенным образом синтез белков, специфичных для организмов данного вида.

    • Вторичная структура РНК . В отличие от ДНК, молекулы РНК состоят из одной полинуклеотидной цепи и не имеют строго определенной пространственной формы (вторичная структура РНК зависит от их биологических функций).
    Основная роль РНК – непосредственное участие в биосинтезе белка. Известны три вида клеточных РНК, которые отличаются по местоположению в клетке, составу, размерам и свойствам, определяющим их специфическую роль в образовании белковых макромолекул:
    • информационные (матричные) РНК передают закодированную в ДНК информацию о структуре белка от ядра клетки к рибосомам, где и осуществляется синтез белка;
    • транспортные РНК собирают аминокислоты в цитоплазме клетки и переносят их в рибосому; молекулы РНК этого типа "узнают" по соответствующим участкам цепи информационной РНК, какие аминокислоты должны участвовать в синтезе белка;
    • рибосомные РНК обеспечивают синтез белка определенного строения, считывая информацию с информационной (матричной) РНК.

    Издавна интересовал ученых. Только с возникновением молекулярной биологии и генетики многие тайны удалось открыть. В нашей статье мы рассмотрим особенности этих функциональных структур, а также отличие ДНК от РНК.

    Что такое нуклеиновые кислоты

    Если вы впервые столкнулись с данными аббревиатурами, то стоит познакомиться с их расшифровкой. ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота. Всем известно, что она охватывает информацию о генах клеток. РНК - рибонуклеиновая кислота. Ее основной функцией является формирование белка. Это органическое вещество, являющееся основой всего живого. Однако это не все различие. РНК от ДНК отличается не только лишь наименованиями и областями использования.

    Вещества, о которых идет речь в нашей статье, называют нуклеиновыми кислотами. Больше всего их в ядерном матриксе, там они и были впервые найдены. С течением времени стало очевидным, что размещаются они в разных частях клеток. Пластиды разных видов, митохондрии, а также цитоплазма содержат эти вещества. Но название они получили от латинского слова "нуклеус", что в переводе означает "ядро".

    Как и все органические вещества, нуклеиновые кислоты представляют собой природные естественные биополимеры. Это крупные макромолекулы, состоящие из определенного количества циклически повторяющихся одинаковых элементов - мономеров. К примеру, у сложных углеводов это моносахариды.

    Структура мономеров

    Нуклеотидами называют структурные повторяющиеся элементы РНК и ДНК, представленные тремя составными частями. Чем отличается РНК от ДНК? Всего лишь двумя компонентами мономеров. Но эта особенность определяет их различие не только в строении, в живых организмах они имеют разное функциональное предназначение.

    Углевод пентоза

    Прежде всего, ДНК от РНК отличается содержанием вида углевода. Простые сахара представляют собой вещества с определенным количеством элемента углерода в общей формуле. Состав нуклеиновых кислот представляют пентозы. Число углерода в них равно пяти. Они и называются поэтому пентозами.

    В чем же здесь отличие, если число углерода и молекулярная формула абсолютно одинаковы? Все очень просто: в структурной организации. Такие вещества с одинаковым составом и молекулярной формулой, имеющие отличия в строении и характерных свойствах, в химии именуются изомерами.

    Моносахарид рибоза - часть РНК. Этот признак явился определяющим для наименований этих биополимеров. Моносахарид, характерный для ДНК, называется дезоксирибозой.

    Азотистые основания

    Рассмотрим еще одно различие молекул ДНК и РНК. Оно также влияет на свойства данных веществ. В структуру входит один из четырех остатков азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин, тимин. Размещаются они согласно определенному правилу.

    В молекуле ДНК, которая состоит из двух спирально закрученных цепей, напротив аденилового основания всегда находится тимидиловый, а гуаниловому соответствует цитидиловый. Это правило называется принципом комплементарности. Между аденином и гуанином всегда образуются две, а между гуанином и цитозином - три водородные связи.

    Совсем по-другому обстоит дело с рибонуклеиновой кислотой. Вместо тимина в ее состав входит другое азотистое основание. Оно называется урацил. Стоит сказать, что, по сравнению с ДНК, РНК существенно меньших размеров, поскольку состоит из одной спиральной молекулы.

    Отличие ДНК от РНК: таблица

    Главные признаки, представляющие отличие молекул ДНК от РНК, представлены в нашей сравнительной таблице.

    Как видите, отличие ДНК от РНК заключается не только в особенностях структуры, их строение обусловливает различные функции, необходимые всем живым организмам.

    Типы РНК

    Науке известно три типа рибонуклеиновой кислоты. образуется на ДНК, а потом передвигается в цитоплазму. Самыми маленькими по размерам являются именно эти молекулы. Они присоединяют аминокислоты, после чего транспортируют их к месту сборки макромолекул. Пространственная по форме похожа на лист клевера. Следующий вид данной нуклеиновой кислоты выполняет функцию передачи сведений о структуре будущего белка из ядра клеток к специализированным структурам. Ими являются рибосомы. Эти специализированные органеллы располагаются на поверхности эндоплазматической сети. А разновидность РНК, выполняющих эту функцию, называется информационной.

    Существует и третья группа - это рибосомальные РНК, расположенные на участках соответствующих органелл. Они способны формировать пространственное расположение необходимых молекул во время формирования белковых молекул. Но в целом все три вида данных макромолекул взаимодействуют между собой, выполняя единую функцию.

    Черты сходства ДНК и РНК

    Чем отличается РНК от ДНК, мы уже практически выяснили. Но поскольку эти вещества объединены в одну группу, среди них наблюдаются и единые черты. Основное из них заключается в том, что они являются полинуклеотидами. Так, от нескольких десятков тысяч до миллионов мономеров. РНК не может похвастаться таким количеством, ее образуют до десяти тысяч нуклеотидов. Однако все мономеры нуклеиновых кислот имеют сходный общий план строения, что позволяет им участвовать в осуществлении процессов биосинтеза белка.

    Функциональное отличие ДНК от РНК

    Различие ДНК и РНК характерными чертами и особенностями строения не ограничивается. Например, ДНК способна к денатурации, ренатурации и деструкции. Ее суть - в раскручивании молекул до определенного состояния и обратно, если это возможно. В ходе этих процессов наблюдается разрушение водородных связей.

    Основной функцией ДНК является сохранение, шифровка, передача и проявление генетической информации, осуществляющиеся в ходе размножения организмов всех уровней организации. Это органическое вещество также способно к транскрипции. Суть этого явления заключается в образовании молекул РНК на основе ДНК. Его основой является принцип комплементарности. Молекула ДНК также способна к самоудвоению или репликации. Этот процесс очень важен для нормального хода деления клеток, особенно митоза, когда из клетки с двойным хромосомным набором образуются две идентичные. Функция РНК также важна для живых организмов, ведь без синтеза белка их существование просто невозможно.

    ДНК и РНК - нуклеиновые кислоты, являющиеся сложными макромолекулами, состоящими из нуклеотидов. Главное различие данных веществ заключается в том, что в их состав входят разные виды азотистых оснований и углевода пентозы, что определяет их различные функции в клетках живых существ.

    Изначально людям казалось, что фундаментальной основой жизни являются белковые молекулы. Однако, научные исследования позволили выявить тот важный аспект, который отличает живую природу от неживой: нуклеиновые кислоты.

    Определение

    ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – это макромолекула, которая хранит в себе и передает из поколения в поколение наследственную информацию. В клетках же основная функция молекулы ДНК – это сохранение точной информации о строении белков и РНК. У животных и растений молекула ДНК содержится в составе ядра клетки, в хромосомах. Чисто с химической точки зрения молекула ДНК состоит из фосфатной группы и азотистого основания. В пространстве она представлена как две спирально закрученные нити. Азотистые основания – это аденин, гуанин, цитозин и тимин, причем соединяются они между собой только по принципу комплиментарности – гуанин с цитозином, а аденин с тимином. Расположение нуклеотидов в различной последовательности позволяет кодировать различную информацию о типах РНК, участвующих в процессе синтеза белка.

    Молекула РНК известна нам под названием «рибонуклеиновая кислота». Как и ДНК, эта макромолекула неотъемлемо содержится в клетках всех живых организмов. Их строение во многом совпадает – РНК, так же как и ДНК, состоит из звеньев – нуклеотидов, которые представлены в виде фосфатной группы, азотистого основания и сахара рибозы. Расположение нуклеотидов в различной последовательности позволяет кодировать индивидуальный генетический код. РНК бывают трёх видов: и-РНК – отвечает за передачу информации, р-РНК – является составляющей рибосом, т-РНК – отвечает за доставку аминокислот к рибосомам. Помимо всего прочего, так называемая матричная РНК используется всеми клеточными организмами для синтеза белка. У отдельных молекул РНК можно отметить собственную ферментативную активность. Проявляется она способностью как бы “разрывать” другие молекулы РНК или же соединять два РНК-фрагмента.РНК так же является составной частью геномов большинства вирусов, у которых она выполняет ту же функцию что и у высших организмов макромолекула ДНК.

    Сравнение

    Итак, мы выяснили, что оба эти понятия относятся к нуклеиновым кислотам с разными функциями: РНК занимается переносом биологической информации, записанной в молекулах ДНК, которая в свою очередь отвечает за сохранение информации и передаёт её по наследству. Молекула РНК такой же полимер, как и ДНК, только более короткий. Кроме того ДНК представляет собой двойную цепь, РНК – это одноцепочная структура.

    Выводы сайт

    1. В состав ДНК входят дезоксирибонуклеотиды, в состав РНК – рибонуклеотиды.
    2. Азотистые основания в молекуле ДНК – тимин, аденин, цитозин, гуанин; в РНК вместо тимина участвует урацил.
    3. ДНК является матрицей для транскрипции, она хранит генетическую информацию. РНК участвует в синтезе белка.
    4. У ДНК двойная цепь, закрученная по спирали; у РНК – одинарная.
    5. ДНК есть в ядре, пластидах, митохондриях; РНК – образуется в цитоплазме, в рибосомах, в ядре, собственная РНК есть в пластидах и митохондриях.

    4.2.1. Первичной структурой нуклеиновых кислот называется последовательность расположения мононуклеотидов в цепи ДНК или РНК . Первичная структура нуклеиновых кислот стабилизируется 3",5"-фосфодиэфирными связями. Эти связи образуются при взаимодействии гидроксильной группы в 3"-положении пентозного остатка каждого нуклеотида с фосфатной группой соседнего нуклеотида (рисунок 3.2),

    Таким образом, на одном конце полинуклеотидной цепи имеется свободная 5"-фосфатная группа (5"-конец), а на другом - свободная гидроксильная группа в 3"-положении (3"-конец). Нуклеотидные последовательности принято записывать в направлении от 5"-конца к 3"-концу.

    Рисунок 4.2. Структура динуклеотида, в состав которого входят аденозин-5"-монофосфат и цитидин-5"-монофосфат.

    4.2.2. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) содержится в клеточном ядре и имеет молекулярную массу порядка 1011 Да. В состав её нуклеотидов входят азотистые основания аденин, гуанин, цитозин, тимин , углевод дезоксирибоза и остатки фосфорной кислоты. Содержание азотистых оснований в молекуле ДНК определяют правила Чаргаффа:

    1) количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых (А + Г = Ц + Т) ;

    2) количество аденина и цитозина равно количеству тимина и гуанина соответственно (А = Т; Ц = Г) ;

    3) ДНК, выделенные из клеток различных биологических видов, отличаются друг от друга величиной коэффициента специфичности:

    (Г + Ц) /(А + Т)

    Эти закономерности в строении ДНК объясняются следующими особенностями её вторичной структуры:

    1) молекула ДНК построена из двух полинуклеотидных цепей, связанных между собой водородными связями и ориентированных антипараллельно (то есть 3"-конец одной цепи расположен напротив 5"-конца другой цепи и наоборот);

    2) водородные связи образуются между комплементарными парами азотистых оснований. Аденину комплементарен тимин; эта пара стабилизируется двумя водородными связями. Гуанину комплементарен цитозин; эта пара стабилизируется тремя водородными связями (см. рисунок б) . Чем больше в молекуле ДНК пар Г-Ц, тем больше её устойчивость к действию высоких температур и ионизирующего излучения;

    Рисунок 3.3. Водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями.

    3) обе цепи ДНК закручены в спираль, имеющую общую ось. Азотистые основания обращены внутрь спирали; кроме водородных, между ними возникают также гидрофобные взаимодействия. Рибозофосфатные части расположены по периферии, образуя остов спирали (см. рисунок 3.4).


    Рисунок 3.4. Схема строения ДНК.

    4.2.3. РНК (рибонуклеиновая кислота) содержится преимущественно в цитоплазме клетки и имеет молекулярную массу в пределах 104 - 106 Да. В состав её нуклеотидов входят азотистые основания аденин, гуанин, цитозин, урацил , углевод рибоза и остатки фосфорной кислоты. В отличие от ДНК, молекулы РНК построены из одной полинуклеотидной цепи, в которой могут находиться комплементарные друг другу участки (рисунок 3.5). Эти участки могут взаимодействовать между собой, образуя двойные спирали, чередующиеся с неспирализованными участками.

    Рисунок 3.5. Схема строения транспортной РНК.

    По особенностям структуры и функции различают три основных типа РНК:

    1) матричные (информационные) РНК (мРНК) передают информацию о структуре белка из клеточного ядра на рибосомы;

    2) транспортные РНК (тРНК) осуществляют транспорт аминокислот к месту синтеза белка;

    3) рибосомальные РНК (рРНК) входят в состав рибосом, участвуют в синтезе белка.