Строение молекул ДНК и РНК

Исследование структуры молекулы ДНК проводилось многими учёными. И только в 1953 г., используя все накопленные биологические и физико-химические знания, Д. Уотсон и Ф. Крик открыли двухцепочечную спиральную (пространственную) структуру молекулы ДНК.

Каждая цепь – это полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из сахара дезоксирибозы, остатка фосфорной кислоты и одного из четырёх азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин, цитозин).

Две цепи ДНК соединяются слабыми водородными связями между азотистыми основаниями по принципу комплементарности: аденин дополняется тимином, гуанин – цитозином.

Перед делением клетки ДНК способна удваиваться (реплицироваться). Сначала с помощью фермента ДНК-полимеразы разрываются слабые водородные связи между двумя цепями ДНК, а затем к каждой уже отдельной цепочке достраиваются по принципу комплементарности нуклеотиды (А  Т, Г  Ц), образуются уже две двухцепочечные молекулы ДНК. Репликация ДНК обеспечивает высочайшую точность воспроизведения генетической информации в поколениях клеток и организмов в целом.

Кроме ДНК, в клетке имеются РНК.

Молекула РНК – полимер, её мономерами являются нуклеотиды. В отличие от ДНК рибонуклеиновая кислота – это:

1) одноцепочечная молекула;

2) вместо сахара дезоксирибозы в РНК входит сахар рибоза;

3) в состав нуклеотидов входит азотистое основание не тимин, а урацил;

4) состоит из меньшего количества нуклеотидов, чем ДНК.

В зависимости от выполняемых функций выделяют несколько видов РНК:

- и-РНК (информационная), или м-РНК (матричная), - переносит информацию о структуре белка от ДНК к рибосомам. На долю и-РНК приходится примерно 0,5-1,0 % от общего содержания РНК клетки;

- т-РНК (транспортная) – переносит аминокислоты в рибосомы. Из общего количества РНК клетки на долю т-РНК приходится около 10 %;

- р-РНК (рибосомальная) – составляет существенную часть структуры рибосомы. На долю р-РНК приходится около 90 % от общего количества РНК клетки.

ДНК выполняет разнообразные функции:

1) хранит генетическую (наследственную) информацию, записанную в виде последовательности нуклеотидов;

2) передаёт наследственную информацию из ядра в цитоплазму. Для этого с ДНК снимает копию и-РНК и переносит информацию к рибосомам – месту синтеза белка;

3) передаёт наследственную информацию от материнской клетки к дочерним клеткам, для чего перед делением клетки ДНК реплицируется.

Далее рассмотрим подробнее каждое из трёх указанных положений.

ДНК – носитель генетической информации. Впервые понятие ген было сформулировано в 1941 г. Д. Бидлом и Э. Татумом: ген – это участок молекулы ДНК, несущий информацию об одном белке-ферменте. В настоящее время геномом называют участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида, и понятие о гене расширилось. Известны гены, кодирующие:

а) белки-ферменты;

б) структурные белки;

в) т-РНК (много копий);

г) р-РНК (много копий);

д) регуляторные (или функциональные) – включают и выключают другие гены;

е) гены-модуляторы – усиливают или подавляют проявление других генов.

ДНК непосредственного участия в синтезе белков не принимает. В клетках человека (животных, растений) молекулы ДНК находятся в ядре и отделены ядерной мембраной от цитоплазмы, где происходит синтез белка. Информацию несёт посредник – и-РНК, которая по принципу комплементарности считывает (копирует) с ДНК информацию при участии фермента РНК-полимеразы. Переписывание информации происходит с одной нити ДНК и называется транскрипцией (лат. transcriptio – переписывание). Если в переписываемой нити ДНК стоит нуклеотид гуанин (Г), то фермент РНК-полимераза включает в РНК цитозин (Ц); если тимин (Т) – РНК-полимераза включает аденин (А); если стоит аденин (А), фермент включает урацил (У). По длине каждая из молекул и-РНК в сотни раз короче ДНК. Информационная РНК является копией не всей молекулы ДНК, а только её части – одного гена, несущего информацию о структуре белка. Готовая и-РНК отходит от ДНК и направляется к месту синтез белка.

Благодаря процессу транскрипции в клетке осуществляется передача информации от ДНК к белку по цепочке: ДНК Ž и-РНК Ž белок.

Перевод информации с «языка» нуклеотидов на «язык» аминокислот осуществляется с помощью генетического кода.

Генетический код – это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в ДНК и и-РНК. Участок молекулы ДНК, состоящий из трёх нуклеотидов, называется триплетом или кодоном.

Свойства генетического кода:

1. Код триплетен – каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательно расположенными тремя нуклеотидами. Из 4 нуклеотидов (так как существует 4 варианта азотистых оснований) можно создать 64 различные комбинации по 3 нуклеотида в каждом (4х4х4 = 64).

2. Код вырожден – каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном (от двух до шести), исключение составляют аминокислоты: метионин, который кодируется только триплетом АУГ, и триптофан – УГГ.

3. Код специфичен – каждый кодон шифрует только одну аминокислоту.

4. Код универсален – один триплет кодирует одну и ту же аминокислоту у всех живых организмов.

5. Код неперекрываем – каждый нуклеотид входит лишь в какой-либо один триплет и переписывание информации происходит строго потриплетно.

6. Триплеты УАА, УАГ, УГА обозначают прекращение синтеза одной полипептидной цепи, так как к ним нет аминокислот. Они находятся в конце каждого гена.