Doba, v ktorej žijeme, je poznačená úžasnými zmenami, obrovským pokrokom, keď ľudia dostávajú odpovede na stále nové a nové otázky. Život ide rýchlo dopredu a to, čo sa donedávna zdalo nemožné, sa začína napĺňať. Je dosť možné, že to, čo sa dnes javí ako zápletka zo žánru sci-fi, čoskoro nadobudne aj črty reality.
Jedným z najdôležitejších objavov v druhej polovici dvadsiateho storočia boli nukleové kyseliny RNA a DNA, vďaka ktorým sa človek priblížil k odhaleniu tajomstiev prírody.
Nukleové kyseliny
Nukleové kyseliny sú organické zlúčeniny s makromolekulárnymi vlastnosťami. Skladajú sa z vodíka, uhlíka, dusíka a fosforu.
Objavil ich v roku 1869 F. Miescher, ktorý skúmal hnis. Jeho objavu sa však v tom čase neprikladal veľký význam. Až neskôr, keď sa tieto kyseliny našli vo všetkých živočíšnych a rastlinných bunkách, prišlo pochopenie ich obrovskej úlohy.
Existujú dva typy nukleových kyselín: RNA a DNA (ribonukleová a deoxyribonukleovákyseliny). Tento článok je o ribonukleovej kyseline, ale pre všeobecné pochopenie sa pozrime aj na to, čo je DNA.
Čo je deoxyribonukleová kyselina?
DNA je nukleová kyselina pozostávajúca z dvoch reťazcov, ktoré sú podľa zákona komplementarity spojené vodíkovými väzbami dusíkatých zásad. Dlhé reťazce sú stočené do špirály, jeden závit obsahuje takmer desať nukleotidov. Priemer dvojitej špirály je dva milimetre, vzdialenosť medzi nukleotidmi je asi pol nanometra. Dĺžka jednej molekuly niekedy dosahuje niekoľko centimetrov. Dĺžka DNA jadra ľudskej bunky je takmer dva metre.
Štruktúra DNA obsahuje všetky genetické informácie. DNA má replikáciu, čo znamená proces, počas ktorého sa z jednej molekuly vytvoria dve absolútne identické dcérske molekuly.
Ako už bolo uvedené, reťazec sa skladá z nukleotidov, ktoré sa skladajú z dusíkatých báz (adenín, guanín, tymín a cytozín) a zvyšku kyseliny fosforovej. Všetky nukleotidy sa líšia v dusíkatých bázach. Vodíková väzba sa nevyskytuje medzi všetkými zásadami, napríklad adenín sa môže spájať iba s tymínom alebo guanínom. V tele je teda toľko adenylových nukleotidov ako tymidylových nukleotidov a počet guanylových nukleotidov sa rovná cytidylovým nukleotidom (Chargaffovo pravidlo). Ukazuje sa, že postupnosť jedného reťazca predurčuje postupnosť druhého a zdá sa, že reťazce sa navzájom zrkadlia. Takýto vzor, kde sú nukleotidy dvoch reťazcov usporiadané a sú tiež spojené selektívne, sa nazývaprincíp komplementarity. Okrem zlúčenín vodíka interaguje dvojzávitnica aj hydrofóbne.
Dva reťaze sú v opačných smeroch, to znamená, že sú umiestnené v opačných smeroch. Preto oproti troj'-koncu jedného je päť'-koniec druhého reťazca.
Navonok molekula DNA pripomína točité schodisko, ktorého zábradlie tvorí cukrovo-fosfátová chrbtica a kroky sú komplementárne dusíkové bázy.
Čo je ribonukleová kyselina?
RNA je nukleová kyselina s monomérmi nazývanými ribonukleotidy.
V chemických vlastnostiach je veľmi podobná DNA, keďže obe sú polymérmi nukleotidov, ktoré sú fosforylovaným N-glykozidom, ktorý je postavený na pentózovom (päťuhlíkovom cukre) zvyšku s fosfátovou skupinou na piaty atóm uhlíka a dusíková báza na prvom atóme uhlíka.
Je to jeden polynukleotidový reťazec (okrem vírusov), ktorý je oveľa kratší ako reťazec DNA.
Jeden monomér RNA sú zvyšky nasledujúcich látok:
- dusíkové zásady;
- päťuhlíkový monosacharid;
- kyseliny fosforečné.
RNA majú pyrimidínové (uracil a cytozín) a purínové (adenín, guanín) bázy. Ribóza je monosacharid nukleotidu RNA.
Rozdiely medzi RNA a DNA
Nukleové kyseliny sa od seba líšia nasledujúcimi spôsobmi:
- jeho množstvo v bunke závisí od fyziologického stavu, veku a príslušnosti k orgánu;
- DNA obsahuje sacharidydeoxyribóza a RNA - ribóza;
- Dusíkatá báza v DNA je tymín a v RNA je to uracil;
- triedy vykonávajú rôzne funkcie, ale sú syntetizované na matrici DNA;
- DNA je dvojitá špirála, RNA je jednovláknová;
- nie je typické pre jej pravidlá DNA Chargaff;
- RNA má viac minoritných báz;
- reťaze sa výrazne líšia v dĺžke.
História štúdia
Bunku RNA prvýkrát objavil nemecký biochemik R. Altman pri štúdiu kvasinkových buniek. V polovici dvadsiateho storočia bola dokázaná úloha DNA v genetike. Až potom boli opísané typy RNA, funkcie atď. Až 80-90% hmoty v bunke pripadá na rRNA, ktorá spolu s proteínmi tvorí ribozóm a podieľa sa na biosyntéze proteínov.
V šesťdesiatych rokoch minulého storočia sa prvýkrát objavil názor, že musí existovať určitý druh, ktorý je nositeľom genetickej informácie pre syntézu bielkovín. Potom sa vedecky zistilo, že existujú také informačné ribonukleové kyseliny, ktoré predstavujú komplementárne kópie génov. Nazývajú sa tiež messenger RNA.
Takzvané transportné kyseliny sa podieľajú na dekódovaní informácií v nich zaznamenaných.
Neskôr sa začali vyvíjať metódy na identifikáciu sekvencie nukleotidov a stanovenie štruktúry RNA v kyslom priestore. Zistilo sa teda, že niektoré z nich, ktoré sa nazývali ribozýmy, dokážu štiepiť polyribonukleotidové reťazce. V dôsledku toho sa začalo predpokladať, že v čase, keď na planéte vznikal život,RNA fungovala bez DNA a proteínov. Navyše, všetky premeny boli vykonané s jej účasťou.
Štruktúra molekuly ribonukleovej kyseliny
Takmer všetky RNA sú jednoduché reťazce polynukleotidov, ktoré sa skladajú z monoribonukleotidov – purínových a pyrimidínových báz.
Nukleotidy sa označujú začiatočnými písmenami báz:
- adenín (A), A;
- guanín (G), G;
- cytozín (C), C;
- uracil (U), U.
Sú spojené troj- a päť-fosfodiesterovými väzbami.
V štruktúre RNA je zahrnutý najrozmanitejší počet nukleotidov (od niekoľkých desiatok do desiatok tisíc). Môžu tvoriť sekundárnu štruktúru pozostávajúcu hlavne z krátkych dvojvláknových vlákien, ktoré sú tvorené komplementárnymi bázami.
Štruktúra molekuly ribnukleovej kyseliny
Ako už bolo spomenuté, molekula má jednovláknovú štruktúru. RNA získava svoju sekundárnu štruktúru a tvar v dôsledku vzájomnej interakcie nukleotidov. Je to polymér, ktorého monomér je nukleotid pozostávajúci z cukru, zvyšku kyseliny fosforu a dusíkatej bázy. Navonok je molekula podobná jednému z reťazcov DNA. Nukleotidy adenín a guanín, ktoré sú súčasťou RNA, sú puríny. Cytozín a uracil sú pyrimidínové bázy.
Proces syntézy
Pre molekulu RNA, ktorá sa má syntetizovať, je templátom molekula DNA. Je pravda, že dochádza aj k opačnému procesu, keď sa na matrici ribonukleovej kyseliny tvoria nové molekuly kyseliny deoxyribonukleovej. Takétosa vyskytuje počas replikácie určitých typov vírusov.
Základom pre biosyntézu môžu byť aj iné molekuly ribonukleovej kyseliny. Na jej transkripcii, ktorá sa vyskytuje v bunkovom jadre, sa zúčastňuje mnoho enzýmov, ale najvýznamnejším z nich je RNA polymeráza.
Zobrazenia
V závislosti od typu RNA sa líšia aj jej funkcie. Existuje niekoľko typov:
- informačná i-RNA;
- ribozomálna rRNA;
- transport t-RNA;
- minor;
- ribozymes;
- viral.
Informačná ribonukleová kyselina
Takéto molekuly sa nazývajú aj matrica. Tvoria asi dve percentá z celkového počtu v bunke. V eukaryotických bunkách sa syntetizujú v jadrách na templátoch DNA, potom prechádzajú do cytoplazmy a viažu sa na ribozómy. Ďalej sa stávajú templátmi pre syntézu proteínov: sú spojené transferovými RNA, ktoré nesú aminokyseliny. Takto prebieha proces premeny informácie, ktorý sa realizuje v jedinečnej štruktúre proteínu. V niektorých vírusových RNA je to tiež chromozóm.
Jacob a Mano sú objaviteľmi tohto druhu. Jeho reťaz nemá pevnú štruktúru a tvorí zakrivené slučky. Nefunkčná i-RNA sa zhromažďuje do záhybov a záhybov do klbka a rozvinie sa v prevádzkovom stave.
i-RNA nesie informácie o sekvencii aminokyselín v proteíne, ktorý sa syntetizuje. Každá aminokyselina je zakódovaná na špecifickom mieste pomocou genetických kódov, ktoré sú:
- tripletita - zo štyroch mononukleotidov je možné zostaviť šesťdesiatštyri kodónov (genetický kód);
- non-crossing – informácie sa pohybujú jedným smerom;
- kontinuita - princíp fungovania je taký, že jedna mRNA je jeden proteín;
- univerzálnosť – jeden alebo druhý typ aminokyseliny je zakódovaný vo všetkých živých organizmoch rovnakým spôsobom;
- degenerácia - je známych dvadsať aminokyselín a šesťdesiatjeden kodónov, to znamená, že sú kódované niekoľkými genetickými kódmi.
Ribozomálna ribonukleová kyselina
Takéto molekuly tvoria veľkú väčšinu bunkovej RNA, konkrétne osemdesiat až deväťdesiat percent z celkového počtu. Spájajú sa s proteínmi a tvoria ribozómy – to sú organely, ktoré vykonávajú syntézu proteínov.
Ribozómy sú zo šesťdesiatich piatich percent rRNA a z tridsiatich piatich percent proteíny. Tento polynukleotidový reťazec sa ľahko skladá spolu s proteínom.
Ribozóm pozostáva z oblastí aminokyselín a peptidov. Sú umiestnené na kontaktných plochách.
Ribozómy sa v bunke voľne pohybujú a syntetizujú proteíny na správnych miestach. Nie sú veľmi špecifické a dokážu nielen čítať informácie z mRNA, ale s nimi aj vytvárať matricu.
Doprava ribonukleovej kyseliny
t-RNA je najviac študovaná. Tvoria desať percent bunkovej ribonukleovej kyseliny. Tieto typy RNA sa viažu na aminokyseliny vďaka špeciálnemu enzýmu a sú dodávané do ribozómov. Aminokyseliny sa zároveň transportujú transportommolekuly. Stáva sa však, že rôzne kodóny kódujú aminokyselinu. Potom ich prenesie niekoľko transportných RNA.
Keď nie je aktívny, stočí sa do klbka, ale funguje ako ďatelina.
Rozlišujú sa v ňom nasledujúce časti:
- akceptorový kmeň s nukleotidovou sekvenciou ACC;
- miesto na pripojenie k ribozómu;
- antikodón kódujúci aminokyselinu pripojenú k tejto tRNA.
Menej významné druhy kyseliny ribonukleovej
V poslednej dobe boli druhy RNA doplnené novou triedou, takzvanou malou RNA. S najväčšou pravdepodobnosťou sú to univerzálne regulátory, ktoré zapínajú alebo vypínajú gény v embryonálnom vývoji, ako aj kontrolné procesy v bunkách.
Ribozýmy boli tiež identifikované nedávno, aktívne sa podieľajú na fermentácii kyseliny RNA a pôsobia ako katalyzátor.
Vírusové typy kyselín
Vírus môže obsahovať kyselinu ribonukleovú alebo kyselinu deoxyribonukleovú. Preto sa so zodpovedajúcimi molekulami nazývajú obsahujúce RNA. Keď sa takýto vírus dostane do bunky, dôjde k reverznej transkripcii – objaví sa nová DNA na báze ribonukleovej kyseliny, ktoré sú integrované do buniek, zabezpečujúce existenciu a reprodukciu vírusu. V inom prípade dochádza k tvorbe komplementárnej RNA na prichádzajúcej RNA. Vírusy sú bielkoviny, životne dôležitá aktivita a reprodukcia prebieha bez DNA, ale iba na základe informácií obsiahnutých v RNA vírusu.
Replication
Na zlepšenie spoločného porozumenia je to nevyhnutnéZvážte proces replikácie, ktorý produkuje dve identické molekuly nukleovej kyseliny. Takto začína delenie buniek.
Zahŕňa DNA polymerázy, DNA-dependentné, RNA polymerázy a DNA ligázy.
Proces replikácie pozostáva z nasledujúcich krokov:
- despiralizácia - dochádza k postupnému odvíjaniu materskej DNA, pričom sa zachytáva celá molekula;
- pretrhnutie vodíkových väzieb, pri ktorom sa reťazce rozchádzajú a objaví sa replikačná vidlica;
- prispôsobenie dNTP k uvoľneným základom materských reťazcov;
- štiepenie pyrofosfátov z molekúl dNTP a tvorba fosforodiesterových väzieb v dôsledku uvoľnenej energie;
- respiralizácia.
Po vytvorení dcérskej molekuly sa jadro, cytoplazma a zvyšok rozdelia. Tak sa vytvoria dve dcérske bunky, ktoré úplne dostali všetky genetické informácie.
Okrem toho je zakódovaná primárna štruktúra proteínov, ktoré sa syntetizujú v bunke. DNA sa na tomto procese zúčastňuje nepriamo a nie priamo, čo spočíva v tom, že práve na DNA prebieha syntéza proteínov, RNA, ktorá sa podieľa na tvorbe. Tento proces sa nazýva transkripcia.
Prepis
Syntéza všetkých molekúl prebieha pri transkripcii, teda pri prepisovaní genetickej informácie zo špecifického operónu DNA. Tento proces je v niektorých smeroch podobný replikácii a v iných sa veľmi líši.
Podobnosti sú nasledujúce časti:
- začína sa despiralizáciou DNA;
- dochádza k roztrhnutiu vodíkaspojenia medzi základňami reťazí;
- Doplnkové NTF;
- vznikajú vodíkové väzby.
Rozdiely od replikácie:
- počas transkripcie je skrútená iba časť DNA zodpovedajúca transkriptónu, zatiaľ čo počas replikácie je skrútená celá molekula;
- po prepisovaní obsahujú laditeľné súbory NTF namiesto tymínu ribózu a uracil;
- informácie sa odpisujú len z určitej oblasti;
- po vytvorení molekuly sa vodíkové väzby a syntetizovaný reťazec prerušia a reťazec skĺzne z DNA.
Pre normálne fungovanie by primárna štruktúra RNA mala pozostávať iba z úsekov DNA skopírovaných z exónov.
Proces dozrievania začína v novovytvorenej RNA. Tiché oblasti sú vyrezané a informatívne oblasti sú fúzované, aby vytvorili polynukleotidový reťazec. Ďalej, každý druh má svoje vlastné premeny.
V i-RNA dochádza k pripojeniu k počiatočnému koncu. Polyadenylát je pripojený ku konečnému miestu.
Bázy TRNA sú upravené tak, aby tvorili menšie druhy.
V rRNA sú metylované aj jednotlivé bázy.
Chráňte proteíny pred deštrukciou a zlepšujú transport do cytoplazmy. Zrelá RNA sa na ne viaže.
Význam deoxyribonukleových a ribonukleových kyselín
Nukleové kyseliny majú v živote organizmov veľký význam. Je v nich uložená, prenášaná do cytoplazmy a dedená dcérskymi bunkamiinformácie o proteínoch syntetizovaných v každej bunke. Sú prítomné vo všetkých živých organizmoch, stabilita týchto kyselín hrá dôležitú úlohu pre normálne fungovanie buniek aj celého organizmu. Akékoľvek zmeny v ich štruktúre povedú k bunkovým zmenám.
