Нуклеиновые кислоты — функции РНК и ДНК

Нуклеиновая кислота — это природное химическое соединение, которое может расщепляться с образованием фосфорной кислоты, сахаров и комбинации органических оснований (нуклеотидов, пуринов и пиримидинов). Они являются основными молекулами клетки, несущими информацию, и в конечном итоге они определяют унаследованные черты каждого живого организма, управляя всем процессом синтеза белка. Есть два типа нуклеиновых кислот: РНК и ДНК. В РНК нуклеотидными основаниями являются рибоза, а общими пиримидиновыми основаниями являются урацил и цитозин. В ДНК нуклеотиды содержат 2-дезоксирибозу, а общие пиримидиновые основания — это тимин и цитозин. Первичные пурины — это аденин и гуанин как в РНК, так и в ДНК.

Функция ДНК

Функции ДНК жизненно важны для наследования, кодирования белков и генетической схемы жизни. Неудивительно, учитывая колоссальные масштабы функций ДНК в организме человека и ее ответственность за рост и поддержание жизни, что открытие ДНК привело к такому большому количеству разработок в лечении различных типов заболеваний. ДНК руководствуется развитием и воспроизводством организма — в конечном итоге, его выживанием.

ДНК содержит генетическую информацию

В серии экспериментов Эйвери, Маклауда и Маккарти впервые было продемонстрировано, что ДНК содержит генетическую информацию в 1944 году. Они показали, что, вводя очищенную ДНК из первого кокка во второй, генетическая детерминация признака (типа ) капсулы специфического пневмококка может передаваться другому капсульному типу. Эти ученые на самом деле назвали агент (позже выяснилось, что это ДНК), совершивший изменение, «трансформирующим фактором». После этого эта форма генетических манипуляций стала обычным явлением. Недавно были проведены аналогичные исследования с использованием дрожжей, культивируемых клеток млекопитающих и эмбрионов насекомых и млекопитающих в качестве реципиентов и клонированной ДНК в качестве донора генетического материала.

Репликация и транскрипция

Генетическая информация, хранящаяся в нуклеотидной последовательности ДНК, преследует две цели. Это источник информации для синтеза всех белковых молекул клетки и организма, а также информация, которую унаследовали дочерние клетки или потомство. Обе эти функции требуют, чтобы молекула ДНК представляла собой матрицу — в первом случае для транскрипции информации в РНК, а во втором — для дочерних молекул ДНК. Комплементарность модели двухцепочечной ДНК Уотсон и Крик убедительно предполагают, что происходит полуконсервативная репликация молекулы ДНК. Таким образом, когда каждая цепь двухцепочечной молекулы родительской ДНК отделяется во время репликации от ее комплемента, каждая из них служит матрицей для синтеза новой комплементарной цепи. Две вновь созданные двухцепочечные дочерние молекулы ДНК затем сортируются между двумя дочерними клетками (рис. 35–5), каждая из которых содержит одну цепь (но комплементарную, а не идентичную) от родительских молекул двухцепочечной ДНК (рис. 35–5). Каждая дочерняя клетка содержит молекулы ДНК со специфической информацией, очень похожей на ту, которой обладает родитель; однако молекула ДНК родительской клетки была только полуконсервативной в каждой дочерней клетке.

Функция РНК

Синтез белка 

Почти все различные виды РНК участвуют в некоторых аспектах синтеза белков. Информационные РНК или мРНК обозначаются как те цитоплазматические молекулы РНК, которые служат в качестве матриц для синтеза белка (т. Е. Передачи генетической информации ДНК в аппарат, синтезирующий белок). Многие другие молекулы цитоплазматической РНК (рибосомные РНК; рРНК) выполняют основные структурные роли, в которых они участвуют в формировании и функционировании рибосом (механизм синтеза органелларных белков) или служат в качестве адапторных молекул (РНК-переносчики; тРНК) для трансляции информации РНК в специфические полимеризованные аминокислотные последовательности.

Некоторые молекулы РНК обладают присущей им каталитической активностью. Активность этих рибозимов часто включает расщепление нуклеиновой кислоты. Иллюстрацией является роль РНК в облегчении извлечения в зрелую информационную РНК первичного транскрипта гена. Внутри ядра большая часть РНК, синтезируемая из матриц ДНК в эукариотических клетках, включая клетки млекопитающих, деградирует и никогда не служит ни структурной, ни информационной единицей в цитоплазме клетки. 

Виды малой ядерной РНК (мяРНК) встречаются во всех эукариотических клетках, которые не принимают непосредственного участия в синтезе белка, но играют ключевую роль в процессинге РНК. Эти относительно небольшие молекулы варьируются по размеру от 90 до 300 нуклеотидов. Для некоторых вирусов животных и растений генетическим материалом является РНК, а не ДНК. Хотя некоторые РНК-вирусы никогда не транскрибируют свою информацию в молекулу ДНК, многие РНК-вирусы животных — в частности, ретровирусы (например, вирус ВИЧ) — транскрибируются РНК-зависимой ДНК-полимеразой, так называемой обратной транскриптазой, для получения двухцепочечная ДНК-копия их генома РНК. Полученный в результате двухцепочечный транскрипт ДНК во многих случаях интегрируется в геном хозяина и впоследствии служит в качестве матрицы для экспрессии генов, из которой можно транскрибировать новые геномы вирусной РНК.

РНК как наследственная информация

Хотя РНК в большинстве клеток на самом деле не служит генетической информацией, для многих вирусов, не содержащих ДНК, эту функцию выполняет РНК. Следовательно, очевидно, что РНК обладает дополнительной способностью служить генетической информацией. Хотя РНК обычно одноцепочечная, вирусы весьма разнообразны. Риновирусы, вызывающие простуду; вирусы гриппа; и одноцепочечные РНК-вирусы представляют собой вирусы Эбола. Примерами двухцепочечных РНК-вирусов являются ротавирусы, вызывающие тяжелый гастроэнтерит у детей и других лиц с ослабленным иммунитетом. Поскольку в эукариотических клетках двухцепочечная РНК встречается редко, ее присутствие служит индикатором вирусной инфекции. Вирусы более подробно анализируют последствия для вируса, имеющего геном РНК вместо генома ДНК.

Другие функции нуклеиновой кислоты 

Нуклеотиды переносят химическую энергию в клетках

Один или два дополнительных фосфата могут быть присоединены к фосфатной группе, ковалентно связанной с 5′-гидроксилом рибонуклеотида. Результирующий 

молекулы называются моно-, ди- и трифосфатными нуклеозидами. Гидролиз нуклеозидтрифосфата обеспечивает химическую энергию, необходимую для запуска широкого спектра клеточных реакций. Аденозин-5′-АТФ, трифосфат, безусловно, наиболее широко используется для этой цели, но в некоторых реакциях также используются УТФ, ГТФ и ЦТФ. Структура трифосфатной группы составляет энергию, выделяемую при гидролизе АТФ и других нуклеозидтрифосфатов. Связь между α-фосфатом и рибозой представляет собой сложноэфирную связь. В стандартных условиях гидролиз сложноэфирной связи дает около 14 кДж / моль, тогда как гидролиз каждой связи дает около 30 кДж / моль. В биосинтезе гидролиз АТФ часто играет важную термодинамическую роль. В сочетании с реакцией с положительным изменением свободной энергии

Адениновые нуклеотиды являются компонентами многих ферментных кофакторов.

Различные типы кофакторов ферментов, которые выполняют широкий спектр химических функций, включают аденозин как часть своей структуры. Они структурно не связаны, и наличие аденозина является единственным общим фактором. Ни в одном из этих кофакторов аденозиновая часть не участвует непосредственно в основной функции, но удаление аденозина обычно приводит к резкому снижению активности кофактора. Хотя эта потребность в аденозине подробно не исследовалась, она должна включать энергию связи между ферментом и субстратом (или кофактором), которая используется как для катализа, так и для стабилизации исходного комплекса фермент-субстрат. В случае кетоацил-КоА трансферазы нуклеотидная часть кофермента А, по-видимому, является связывающей «ручкой», которая помогает втягивать субстрат (ацетоацетил-КоА) в активный сайт.

Аденозин, безусловно, не уникален по количеству потенциальной энергии, которую он может внести. Важность аденозина, вероятно, заключается не столько в какой-то особой химической характеристике, сколько в эволюционном преимуществе использования одного соединения для нескольких ролей. Когда АТФ стал универсальным источником химической энергии, были разработаны системы для синтеза АТФ в большем количестве, чем другие нуклеотиды; поскольку его много, он становится логичным выбором для включения в самые разные структуры. Единый белковый домен, связывающий аденозин, может использоваться в большом количестве ферментов. Такой домен, называемый складкой связывания нуклеотидов, обнаружен во многих ферментах, которые связывают АТФ и кофакторы нуклеотидов.

Некоторые нуклеотиды являются регуляторными молекулами

Принимая сигналы от гормонов или другие внешние химические сигналы, клетки реагируют на окружающую среду. Взаимодействие между этими внеклеточными химическими сигналами («первыми мессенджерами») и рецепторами клеточной поверхности часто приводит к производству вторых мессенджеров внутри клетки, что, в свою очередь, приводит к адаптивным изменениям внутри клетки. Второй мессенджер часто представляет собой нуклеотид. Аденозин-3 ‘, 5’-циклический монофосфат (циклический АМФ или цАМФ), образующийся из АТФ в реакции, катализируемой аденилатциклазой, ферментом, связанным с внутренней поверхностью плазматической мембраны, является одним из наиболее распространенных. Практически в каждой клетке за пределами царства растений Cyclic AMP выполняет регуляторные функции. Во многих клетках присутствует гуанозин 3 ‘, 5’ — циклический монофосфат (цГМФ), который также выполняет регуляторные функции.