›

5 отличий днк от рнк. Чем отличается днк от рнк

Справа крупнейшая спираль ДНК человека, выстроенная из людей на пляже в Варне (Болгария), вошедшая в книгу рекордов Гиннесса 23 апреля 2016 года

Дезоксирибонуклеиновая кислота. Общие сведения

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) - своеобразный чертеж жизни, сложный код, в котором заключены данные о наследственной информации. Эта сложная макромолекула способна хранить и передавать наследственную генетическую информацию из поколения в поколение. ДНК определяет такие свойства любого живого организма как наследственность и изменчивость. Закодированная в ней информация задает всю программу развития любого живого организма. Генетически заложенные факторы предопределяют весь ход жизни как человека, так и любого др. организхма. Искусственное или естественное воздействие внешней среды способны лишь в незначительной степени повлиять на общую выраженность отдельных генетических признаков или сказаться на развитии запрограммированных процессов.

Дезоксирибонуклеи́новая кислота (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.

В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами.

С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы (С ) и фосфатной (Ф ) группы (фосфодиэфирные связи).


Рис. 2. Нуклертид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы

В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула закручена по винтовой линии.

В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином (А-Т ), гуанин — только с цитозином (Г-Ц ). Именно эти пары и составляют «перекладины» винтовой "лестницы" ДНК (см.: рис. 2, 3 и 4).


Рис. 2. Азотистые основания

Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции.


Рис. 3. Репликация ДНК

Расположение базовых комбинаций химических соединений ДНК и количественные соотношения между этими комбинациями обеспечивают кодирование наследственной информации.

Образование новой ДНК (репликация)

  1. Процесс репликации: раскручивание двойной спирали ДНК — синтез комплементарных цепей ДНК-полимеразой — образование двух молекул ДНК из одной.
  2. Двойная спираль «расстегивается» на две ветви, когда ферменты разрушают связь между базовыми парами химических соединений.
  3. Каждая ветвь является элементом новой ДНК. Новые базовые пары соединяются в той же последовательности, что и в родительской ветви.

По завершении дупликации образуются две самостоятельные спирали, созданные из химических соединений родительской ДНК и имеющие с ней одинаковый генетический код. Таким путем ДНК способна перерывать информацию от клетки к клетке.

Более подробная информация:

СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ


Рис. 4 . Азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) относится к нуклеиновым кислотам. Нуклеиновые кислоты - это класс нерегулярных биополимеров, мономерами которых являются нуклеотиды.

Нуклеотиды состоят из азотистого основания , соединенного с пятиуглеродным углеводом (пентозой) - дезоксирибозой (в случае ДНК) или рибозой (в случае РНК), который соединяется с остатком фосфорной кислоты (H 2 PO 3 -).

Азотистые основания бывают двух типов: пиримидиновые основания - урацил (только в РНК), цитозин и тимин, пуриновые основания - аденин и гуанин.


Рис. 5. Типы азотистых оснований: пиримидиновые и пуриновые

Атомы углерода в молекуле пентозы нумеруются числами от 1 до 5. Фосфат соединяется с третьим и пятым атомами углерода. Так нуклеинотиды соединяются в цепь нуклеиновой кислоты. Таким образом, мы можем выделить 3’ и 5’-концы цепи ДНК:


Рис. 6. Выделение выделить 3’ и 5’-концов цепи ДНК

Две цепи ДНК образуют двойную спираль . Эти цепи в спирали сориентированы в противоположных направлениях. В разных цепях ДНК азотистые основания соединены между собой с помощью водородных связей . Аденин всегда соединяется с тимином, а цитозин - с гуанином. Это называется правилом комплементарности .

Правило комплементарности:

A-T G-C

Например, если нам дана цепь ДНК, имеющая последовательность

3’- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5’,

то вторая ей цепь будет комплементарна и направлена в противоположном направлении - от 5’-конца к 3’-концу:

5’- TACAGGATCGACGAGC- 3’.


Рис. 7. Направленность цепей молекулы ДНК и соединение азотистых оснований с помощью водородных связей

РЕПЛИКАЦИЯ

Репликация ДНК - это процесс удвоения молекулы ДНК путем матричного синтеза. Репликация происходит по полуконсервативному механизму . Это значит, что двойная спираль ДНК расплетается и на каждой из ее цепей по принципу комплементарности достраивается новая цепь. Дочерняя молекула ДНК, таким образом, содержит в себе одну цепь от материнской молекулы и одну вновь синтезированную. Репликация происходит в направлении от 3’ к 5’ концу материнской цепи.

Рис. 8. Репликация (удвоение) молекулы ДНК

ДНК-синтез - это не такой сложный процесс, как может показаться на первый взгляд. Если подумать, то для начала нужно разобраться, что же такое синтез. Это процесс объединения чего-либо в одно целое. Образование новой молекулы ДНК проходит в несколько этапов:

  • ДНК-топоизомераза, располагаясь перед вилкой репликации, разрезает ДНК для того, чтобы облегчить ее расплетание и раскручивание.
  • ДНК-хеликаза вслед за топоизомеразой влияет на процесс «расплетения» спирали ДНК.
  • Связывающие ДНК-белки осуществляют связывание нитей ДНК, а также проводят их стабилизацию, не допуская их прилипания друг к другу.
  • ДНК-полимераза синтезирует ведущую цепь дочерней ДНК.


Рис. 9. Схематическое изображение процесса репликации, цифрами отмечены: (1) Запаздывающая нить, (2) Лидирующая нить, (3) ДНК-полимераза (Polα), (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) Праймаза, (7) Фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза (Polδ), (9) Хеликаза, (10) Белки, связывающие одноцепочечную ДНК, (11) Топоизомераза

Строение РНК

Рибонуклеиновая кислота (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.

Так же, как ДНК, РНК состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы. Однако в отличие от ДНК, РНК обычно имеет не две цепи, а одну. Пентоза в РНК представлена рибозой, а не дезоксирибозой (у рибозы присутствует дополнительная гидроксильная группа на втором атоме углевода). Наконец, ДНК отличается от РНК по составу азотистых оснований: вместо тимина (Т ) в РНК представлен урацил (U ) , который также комплементарен аденину.

Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.

Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого транскрипцией , то есть синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого специальными ферментами — РНК-полимеразами.

Затем матричные РНК (мРНК) принимают участие в процессе, называемом трансляцией, т.е. синтеза белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.

Рис. 10. Отличие ДНК от РНК по азотистому основанию: вместо тимина (Т) в РНК представлен урацил (U), который также комплементарен аденину.

ТРАНСКРИПЦИЯ

Это процесс синтеза РНК на матрице ДНК. ДНК раскручивается на одном из участков. На одной из цепей содержится информация, которую необходимо скопировать на молекулу РНК - эта цепь называется кодирующей. Вторая цепь ДНК, комплементарная кодирующей, называется матричной. В процессе транскрипции на матричной цепи в направлении 3’ - 5’ (по цепи ДНК) синтезируется комплементарная ей цепь РНК. Таким образом, создается РНК-копия кодирующей цепи.

Рис. 11. Схематическое изображение транскрипции

Например, если нам дана последовательность кодирующей цепи

3’- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5’,

то, по правилу комплементарности, матричная цепь будет нести последовательность

5’- TACAGGATCGACGAGC- 3’,

а синтезируемая с нее РНК - последовательность

ТРАНСЛЯЦИЯ

Рассмотрим механизм синтеза белка на матрице РНК, а также генетический код и его свойства. Также для наглядности по ниже приведенной ссылке рекомендуем посмотреть небольшое видео о процессах транскрипции и трансляции, происходящих в живой клетке:

Рис. 12. Процесс синтеза белка: ДНК кодирует РНК, РНК кодирует белок

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД

Генетический код - способ кодирования аминокислотной последовательности белков с помощью последовательности нуклеотидов. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов - кодоном или триплетом.

Генетический код, общий для большинства про- и эукариот. В таблице приведены все 64 кодона и указаны соответствующие аминокислоты. Порядок оснований — от 5" к 3" концу мРНК.

Таблица 1. Стандартный генетический код

1-е
основа

ние

2-е основание

3-е
основа

ние

U

C

A

G

U

U U U

(Phe/F)

U C U

(Ser/S)

U A U

(Tyr/Y)

U G U

(Cys/C)

U

U U C

U C C

U A C

U G C

C

U U A

(Leu/L)

U C A

U A A

Стоп-кодон**

U G A

Стоп-кодон**

A

U U G

U C G

U A G

Стоп-кодон**

U G G

(Trp/W)

G

C

C U U

C C U

(Pro/P)

C A U

(His/H)

C G U

(Arg/R)

U

C U C

C C C

C A C

C G C

C

C U A

C C A

C A A

(Gln/Q)

C GA

A

C U G

C C G

C A G

C G G

G

A

A U U

(Ile/I)

A C U

(Thr/T)

A A U

(Asn/N)

A G U

(Ser/S)

U

A U C

A C C

A A C

A G C

C

A U A

A C A

A A A

(Lys/K)

A G A

A

A U G

(Met/M)

A C G

A A G

A G G

G

G

G U U

(Val/V)

G C U

(Ala/A)

G A U

(Asp/D)

G G U

(Gly/G)

U

G U C

G C C

G A C

G G C

C

G U A

G C A

G A A

(Glu/E)

G G A

A

G U G

G C G

G A G

G G G

G

Среди триплетов есть 4 специальных последовательности, выполняющих функции «знаков препинания»:

  • *Триплет AUG , также кодирующий метионин, называется старт-кодоном . С этого кодона начинается синтез молекулы белка. Таким образом, во время синтеза белка, первой аминокислотой в последовательности всегда будет метионин.
  • **Триплеты UAA , UAG и UGA называются стоп-кодонами и не кодируют ни одной аминокислоты. На этих последовательностях синтез белка прекращается.

Свойства генетического кода

1. Триплетность . Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов - триплетом или кодоном.

2. Непрерывность . Между триплетами нет никаких дополнительных нуклеотидов, информация считывается непрерывно.

3. Неперекрываемость . Один нуклеотид не может входить одновременно в два триплета.

4. Однозначность . Один кодон может кодировать только одну аминокислоту.

5. Вырожденность . Одна аминокислота может кодироваться несколькими разными кодонами.

6. Универсальность . Генетический код одинаков для всех живых организмов.

Пример. Нам дана последовательность кодирующей цепи:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA - 5’.

Матричная цепь будет иметь последовательность:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT - 3’.

Теперь «синтезируем» с этой цепи информационную РНК:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA - 5’.

Синтез белка идет в направлении 5’ → 3’, следовательно, нам нужно перевернуть последовательность, чтобы «прочитать» генетический код:

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC - 3’.

Теперь найдем старт-кодон AUG:

5’- AUAUG CUAGCUGCACGUUAGCC - 3’.

Разделим последовательность на триплеты:

звучит следующим образом: информация с ДНК передается на РНК (транскрипция), с РНК - на белок (трансляция). ДНК также может удваиваться путем репликации, и также возможен процесс обратной транскрипции, когда по матрице РНК синтезируется ДНК, но такой процесс в основном характерен для вирусов.


Рис. 13. Центральная догма молекулярной биологии

ГЕНОМ: ГЕНЫ и ХРОМОСОМЫ

(общие понятия)

Геном - совокупность всех генов организма; его полный хромосомный набор.

Термин "геном" был предложен Г. Винклером в 1920 г. для описания совокупности генов, заключенных в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие от генотипа является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось. Известно, что ДНК, которая является носителем генетической информации у большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в себя не только гены в современном смысле этого слова. Большая часть ДНК эукариотических клеток представлена некодирующими ("избыточными") последовательностями нуклеотидов, которые не заключают в себе информации о белках и нуклеиновых кислотах. Таким образом, основную часть генома любого организма составляет вся ДНК его гаплоидного набора хромосом.

Гены — это участки молекул ДНК, кодирующие полипептиды и молекулы РНК

За последнее столетие наше представление о генах существенно изменилось. Ранее геном называли участок хромосомы, кодирующий или определяющий один признак или фенотипическое (видимое) свойство, например цвет глаз.

В 1940 г. Джордж Бидл и Эдвард Тейтем предложили молекулярное определение гена. Ученые обрабатывали споры гриба Neurospora crassa рентгеновским излучением и другими агентами, вызывающими изменения в последовательности ДНК (мутации ), и обнаружили мутантные штаммы гриба, утратившие некоторые специфические ферменты, что в некоторых случаях приводило к нарушению целого метаболического пути. Бидл и Тейтем пришли к выводу, что ген — это участок генетического материала, который определяет или кодирует один фермент. Так появилась гипотеза «один ген — один фермент» . Позднее эта концепция была расширена до определения «один ген — один полипептид» , поскольку многие гены кодируют белки, не являющиеся ферментами, а полипептид может оказаться субъединицей сложного белкового комплекса.

На рис. 14 показана схема того, как триплеты нуклеотидов в ДНК определяют полипептид - аминокислотную последовательность белка при посредничестве мРНК. Одна из цепей ДНК играет роль матрицы для синтеза мРНК, нуклеотидные триплеты (кодоны) которой комплементарны триплетам ДНК. У некоторых бактерий и многих эукариот кодирующие последовательности прерываются некодирующими участками(так называемыми интронами ).

Современное биохимическое определение гена еще более конкретно. Генами называются все участки ДНК, кодирующие первичную последовательность конечных продуктов, к которым относятся полипептиды или РНК, обладающие структурной или каталитической функцией.

Наряду с генами ДНК содержит и другие последовательности, выполняющие исключительно регуляторную функцию. Регуляторные последовательности могут обозначать начало или конец генов, влиять на транскрипцию или указывать место инициации репликации или рекомбинации. Некоторые гены могут экспрессироваться разными путями, при этом один и тот же участок ДНК служит матрицей для образования разных продуктов.

Мы можем приблизительно рассчитать минимальный размер гена , кодирующего средний белок. Каждая аминокислота в полипептидной цепи кодируется последовательностью из трех нуклеотидов; последовательности этих триплетов (кодонов) соответствуют цепочке аминокислот в полипептиде, который кодируется данным геном. Полипептидная цепь из 350 аминокислотных остатков (цепь средней длины) соответствует последовательности из 1050 п.н. (пар нуклеотидов ). Однако многие гены эукариот и некоторые гены прокариот прерываются сегментами ДНК, не несущими информации о белке, и поэтому оказываются значительно длиннее, чем показывает простой расчет.

Сколько генов в одной хромосоме?


Рис. 15. Вид хромосом в прокаритической (слева) и эукариотической клеках. Гистоны (Histones) — обширный класс ядерных белков, выполняющих две основные функции: они участвуют в упаковке нитей ДНК в ядре и в эпигенетической регуляции таких ядерных процессов, как транскрипция, репликация и репарация.

Как известно, бактериальные клетки имеют хромосому в виде нити ДНК, уложенной в компактную структуру - нуклеоид. Хромосома прокариота Escherichia coli , чей геном полностью расшифрован, представляет собой кольцевую молекулу ДНК (на самом деле, это не правильный круг, а скорее петля без начала и конца), состоящую из 4 639 675 п.н. В этой последовательности содержится примерно 4300 генов белков и еще 157 генов стабильных молекул РНК. В геноме человека примерно 3,1 млрд пар нуклеотидов, соответствующих почти 29 000 генам, расположенным на 24 разных хромосомах.

Прокариоты (Бактерии).

Бактерия E. coli имеет одну двухцепочечную кольцевую молекулу ДНК. Она состоит из 4 639 675 п.н. и достигает в длину примерно 1,7 мм, что превышает длину самой клетки E. coli приблизительно в 850 раз. Помимо крупной кольцевой хромосомы в составе нуклеоида многие бактерии содержат одну или несколько маленьких кольцевых молекул ДНК, свободно располагающихся в цитозоле. Такие внехромосомные элементы называют плазмидами (рис. 16).

Большинство плазмид состоит всего из нескольких тысяч пар нуклеотидов, некоторые содержат более 10000 п. н. Они несут генетическую информацию и реплицируются с образованием дочерних плазмид, которые попадают в дочерние клетки в процессе деления родительской клетки. Плазмиды обнаружены не только в бактериях, но также в дрожжах и других грибах. Во многих случаях плазмиды не дают никаких преимуществ клеткам-хозяевам, и их единственная задача — независимое воспроизведение. Однако некоторые плазмиды несут полезные для хозяина гены. Например, содержащиеся в плазмидах гены могут придавать клеткам бактерий устойчивость к антибактериальным агентам. Плазмиды, несущие ген β-лактамазы, обеспечивают устойчивость к β-лактамным антибиотикам, таким как пенициллин и амоксициллин. Плазмиды могут переходить от клеток, устойчивых к антибиотикам, к другим клеткам того же или другого вида бактерий, в результате чего эти клетки также становятся резистентными. Интенсивное применение антибиотиков является мощным селективным фактором, способствующим распространению плазмид, кодирующих устойчивость к антибиотикам (а также транспозонов, которые кодируют аналогичные гены) среди болезнетворных бактерий, и приводит к появлению бактериальных штаммов с устойчивостью к нескольким антибиотикам. Врачи начинают понимать опасность широкого использования антибиотиков и назначают их только в случае острой необходимости. По аналогичным причинам ограничивается широкое использование антибиотиков для лечения сельскохозяйственных животных.

См. также: Равин Н.В., Шестаков С.В. Геном прокариот // Вавиловский журнал генетики и селекции, 2013. Т. 17. № 4/2. С. 972-984.

Эукариоты.

Таблица 2. ДНК, гены и хромосомы некоторых организмов

Общая ДНК,

п.н.

Число хромосом*

Примерное число генов

Escherichia coli (бактерия)

4 639 675

4 435

Saccharomyces cerevisiae (дрожжи)

12 080 000

16**

5 860

Caenorhabditis elegans (нематода)

90 269 800

12***

23 000

Arabidopsis thaliana (растение)

119 186 200

33 000

Drosophila melanogaster (плодовая мушка)

120 367 260

20 000

Oryza sativa (рис)

480 000 000

57 000

Mus musculus (мышь)

2 634 266 500

27 000

Homo sapiens (человек)

3 070 128 600

29 000

Примечание. Информация постоянно обновляется; для получения более свежей информации обратитесь к сайтам, посвященным отдельным геномным проектам

* Для всех эукариот, кроме дрожжей, приводится диплоидный набор хромосом. Диплоидный набор хромосом (от греч. diploos- двойной и eidos- вид) - двойной набор хромосом (2n), каждая из которых имеет себе гомологичную.
**Гаплоидный набор. Дикие штаммы дрожжей обычно имеют восемь (октаплоидный) или больше наборов таких хромосом.
***Для самок с двумя Х хромосомами. У самцов есть Х хромосома, но нет Y, т. е. всего 11 хромосом.

В клетке дрожжей, одних из самых маленьких эукариот, в 2,6 раза больше ДНК, чем в клетке E. coli (табл. 2). Клетки плодовой мушки Drosophila , классического объекта генетических исследований, содержат в 35 раз больше ДНК, а клетки человека — примерно в 700 раз больше ДНК, чем клетки E. coli. Многие растения и амфибии содержат еще больше ДНК. Генетический материал клеток эукариот организован в виде хромосом. Диплоидный набор хромосом (2n ) зависит от вида организма (табл. 2).

Например, в соматической клетке человека 46 хромосом (рис. 17 ). Каждая хромосома эукариотической клетки, как показано на рис. 17, а , содержит одну очень крупную двухспиральную молекулу ДНК. Двадцать четыре хромосомы человека (22 парные хромосомы и две половые хромосомы X и Y) различаются по длине более чем в 25 раз. Каждая хромосома эукариот содержит определенный набор генов.


Рис. 17. Хромосомы эукариот. а — пара связанных и конденсированных сестринских хроматид из хромосомы человека. В такой форме эукариотические хромосомы пребывают после репликации и в метафазе в процессе митоза. б — полный набор хромосом из лейкоцита одного из авторов книги. В каждой нормальной соматической клетке человека содержится 46 хромосом.

Если соединить между собой молекулы ДНК человеческого генома (22 хромосомы и хромосомы X и Y или Х и Х), получится последовательность длиной около одного метра. Прим.: У всех млекопитающих и других организмов с гетерогаметным мужским полом, у самок две X-хромосомы (XX), а у самцов — одна X-хромосома и одна Y-хромосома (XY).

Большинство клеток человека , поэтому общая длина ДНК таких клеток около 2м. У взрослого человека примерно 10 14 клеток, таким образом, общая длина всех молекул ДНК составляет 2・10 11 км. Для сравнения, окружность Земли — 4・10 4 км, а расстояние от Земли до Солнца — 1,5・10 8 км. Вот как удивительно компактно упакована ДНК в наших клетках!

В клетках эукариот есть и другие органеллы, содержащие ДНК, — это митохондрии и хлоропласты. Выдвигалось множество гипотез относительно происхождения ДНК митохондрий и хлоропластов. Общепризнанная сегодня точка зрения заключается в том, что они представляют собой рудименты хромосом древних бактерий, которые проникли в цитоплазму хозяйских клеток и стали предшественниками этих органелл. Митохондриальная ДНК кодирует митохондриальные тРНК и рРНК, а также несколько митохондриальных белков. Более 95% митохондриальных белков кодируется ядерной ДНК.

СТРОЕНИЕ ГЕНОВ

Рассмотрим строение гена у прокариот и эукариот, их сходства и различия. Несмотря на то, что ген — это участок ДНК, кодирующий всего один белок или РНК, кроме непосредственно кодирующей части, он также включает в себя регуляторные и иные структурные элементы, имеющие разное строение у прокариот и эукариот.

Кодирующая последовательность - основная структурно-функциональная единица гена, именно в ней находятся триплеты нуклеотидов, кодирующие аминокислотную последовательность. Она начинается со старт-кодона и заканчивается стоп-кодоном.

До и после кодирующей последовательности находятся нетранслируемые 5’- и 3’-последовательности . Они выполняют регуляторные и вспомогательные функции, например, обеспечивают посадку рибосомы на и-РНК.

Нетранслируемые и кодирующая последовательности составлют единицу транскрипции - транскрибируемый участок ДНК, то есть участок ДНК, с которого происходит синтез и-РНК.

Терминатор - нетранскрибируемый участок ДНК в конце гена, на котором останавливается синтез РНК.

В начале гена находится регуляторная область , включающая в себя промотор и оператор .

Промотор - последовательность, с которой связывается полимераза в процессе инициации транскрипции. Оператор - это область, с которой могут связываться специальные белки - репрессоры , которые могут уменьшать активность синтеза РНК с этого гена - иначе говоря, уменьшать его экспрессию .

Строение генов у прокариот

Общий план строения генов у прокариот и эукариот не отличается - и те, и другие содержат регуляторную область с промотором и оператором, единицу транскрипции с кодирующей и нетранслируемыми последовательностями и терминатор. Однако организация генов у прокариот и эукариот отличается.

Рис. 18. Схема строения гена у прокариот (бактерий) - изображение увеличивается

В начале и в конце оперона есть единые регуляторные области для нескольких структурных генов. С транскрибируемого участка оперона считывается одна молекула и-РНК, которая содержит несколько кодирующих последовательностей, в каждой из которых есть свой старт- и стоп-кодон. С каждого из таких участков с интезируется один белок. Таким образом, с одной молекулы и-РНК синтезируется несколько молекул белка.

Для прокариот характерно объединение нескольких генов в единую функциональную единицу - оперон . Работу оперона могут регулировать другие гены, которые могут быть заметно удалены от самого оперона - регуляторы . Белок, транслируемый с этого гена называется репрессор . Он связывается с оператором оперона, регулируя экспрессию сразу всех генов, в нем содержащихся.

Для прокариот также характерно явление сопряжения транскрипции и трансляции .


Рис. 19 Явление сопряжения транскрипции и трансляции у прокариот - изображение увеличивается

СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ РНК

ДНК РНК
Строение сахар дезоксирибоза Строение сахар рибоза
двуцепочечная (двойная спираль) одноцепочечная
Основания - аденин - гуанин - цитозин - тимин Основания вместо тимина урацил
Локализация в клетке - в ядре (в хромосомах); - в митохондриях кольцевая двуцепочечная; - в хлоропластах высших растений. Локализация в клетке - м-РНК в ядрышке - р-РНК в рибосомах - т-РНК в цитоплазме
Функции Кодирует последовательность аминокислот в белке, ᴛ.ᴇ. хранит генетическую информацию Функции - м-РНК служит матрицей, ᴛ.ᴇ. передает информацию ДНК м-РНК белок; - т-РНК транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка; - р-РНК в составе рибосом, составляет 65% от их вида, выполняет структурную функцию

Известно несколько типов РНК. Рибосомные рибонуклеиновые кислоты (рРНК) , связываясь с рибосомными белками, образуют рибосомы, в к-рых осуществляется синтез белка. Матричные рибонуклеиновые кислоты(мРНК) служат матрицами для синтеза белков (трансляции). Транспортные рибонуклеиновые кислоты(тРНК) осуществляют связывание соответствующей аминокислоты и ее перенос к рибосомам.

Обнаружены так называемые малые ядерные РНК , участвующие в процессе созревания м-РНК (ʼʼвырезанииʼʼ интронов).

Существуют также вирусные РНК (в РНК-содержащих вирусах).

Рибонуклеиновые кислоты представляют из себяполимеры из нуклеозидфосфатных звеньев, соединœенных фосфодиэфирной связью. В качестве азотистых оснований в РНК присутствуют урацил, цитозин, аденин и тимин. В РНК можно также встретить множество необычных и модифицированных азотистых оснований.

РНК принимают участие во всœех стадиях процесса генной экспрессии и биосинтеза белка. На рисунке показана вторичная структура молекулы т-РНК.

В отличие от ДНК, РНК не образуют двойных спиралей, но содержат короткие участки со спаренными основаниями. Это приводит к образованию субструктур, которые при двумерном изображении напоминают ʼʼшпилькиʼʼ и петли, образующие фигуру типа ʼʼклеверного листаʼʼ. В таких структурах двухцепочечные участки соединœены петлями.

Различные виды PHK клетки существенно различаются по размерам, строению и продолжительности существования. Преобладающую часть представляют рибосомные РНК [рРНК (rRNA)], которые в различных формах составляют структурный и функциональные части рибосом. Рибосомные РНК синтезируются в ядре в процессе транскрипции на ДНК, там же подвергаются процессингу и ассоциируют с рибосомными белками, образуя рибосому. Бактериальная 16S-рРНК, включающая 1542 нуклеотида, является компонентом малой рибосомной субчастицы, в то время как небольшая 5S-рРНК (из 120 нуклеотидов) входит в состав большой субчастицы.

Матричная РНК [мРНК (mRNA)] переносит генетическую информацию из клеточного ядра в цитоплазму. Ее транскрипты также сильно модифицируются в ядре (созревание м-PHK) Так как мРНК считывается на рибосоме кодон за кодоном она не должна складываться в стабильную третичную структуру. Спариванию оснований препятствуют белки, ассоциированные с мРНК. Из-за различного объёма информации, которую могут нести мРНК, РНК этого типа сильно варьируют по размерам. Для мРНК характерно короткое время жизни, так как они быстро распадаются после трансляции. В сплайсинге предшественников мРНК принимают участие малые ядерные РНК [мяРНК (snRNA, от англ. small nuclear RNA)]. Οʜᴎ ассоциированы c рядом белков, образуя ʼʼсплайсомыʼʼ.

Макромолекулярная структура т-РНК. т-РНК состоит из одной полинуклеотидной цепи, закрученной на себя, образует короткие двуспиральные шпильки в палиндромных участках (Г с Ц, А с У). тРНК- самые мелкие молекулы (ММ=23-30 тыс.) тРНК- переносчик аминокислот. Каждая тРНК переносит только одну аминокислоту, но на одну аминокислоту имеется более одной тРНК. Всего известно 61 тРНК.

т-РНК имеет АКЦЕПТИРНЫЙ УЧАСТОК (присоединяет АК, при участии АТФ), ОБЩИЙ УЧАСТОК (петля дигидроуридина) обеспечивает связь со специфическим ферментом, ХАРАКТЕРНЫЙ УЧАСТОК (петля псевдоуридина) всœегда содержит последовательность 5 "-TyЦГ-3", этой петлей взаимодействует с рибосомой. АНТИКОДОНОВАЯ ПЕТЛЯ - содержит АНТИКОДОН - три нуклеотида, комплементарных кодону данной аминокислоты в мРНК. К примеру, кодону 5"-ГЦЦ-3" в мРНК соответствует антикодон 3"-ЦГГ-5" в тРНК, чем обеспечивается специфичность взаимодействия с матричной РНК.

В клетках живых организмов присутствуют такие вещества, как нуклеиновые кислоты. Они нужны для того, чтобы хранить, передавать и реализовывать генетическую информацию.
РНК и ДНК имеют некоторые сходства, но при этом важно знать и понимать их различия.
Сначала мы разберем по отдельности обе кислоты, а затем в тезисной форме отразим их схожие и различные черты.

Дезоксирибонуклеиновая кислота

ДНК это биополимер. В основе мономера ДНК – пентоза. Углевод ДНК является исключением из правил, ведь его формула (C5H10O4) отличается от «нормального» углевода тем, что в ней отсутствует один атом кислорода, поэтому этот углевод получил название «дезоксирибоза».

К остатку дезоксиробозы присоединено одно азотистое основание (цитозин, тимин, аденин и гуанин). Полимерная цепь ДНК образуется путем связывания между собой мономеров. Сшиваются между собой соседние «звенья» остатками фосфорной кислоты, образуя фосфодиэфирную 3’-5’ – связь.

ДНК – это двойная антипараллельная правозакрученная спираль. Две цепи соединены водородными связями, которые возникающими между гетероциклическими соединениями. В ДНК комплементарные пары: A-G и C-T.

Уникальность ДНК в том, что она способна создавать дочернюю молекулу (репликация ). Для этого спираль ДНК расходится на две материнские цепи и с помощью ферментов (основной фермент это ДНК-полимераза) на них выстраиваются дочерние цепи, основываясь на правиле комплементарности. В итоге образуется две идентичные друг другу цепи ДНК. Этот процесс обеспечивает безошибочную передачу наследственной информации из поколения в поколение.

Рибонуклеи́новая кислота

РНК имеет ряд отличий от ДНК, однако их строение кардинально не различается. Во-первых, РНК составляют «нормальные» углеводы – рибозы (C5H10O5). Во-вторых, взамен гетероциклического основания тимина в состав РНК входит урацил, лишенный метильной группы.

РНК – одиночная полимерная цепь, которая при благоприятных условиях способна изменять свою конфигурацию и приобретать форму «шпильки», когда ближайшие азотистые основания, комплементарные друг другу, связываются. В РНК следующие основания образуют пары: A-G и U-C. РНК в несколько раз короче спирали ДНК.

Следует упомянуть о типах РНК. Выделяют матричную или информационную РНК (мРНК), транспортную РНК (тРНК), рибосомальную РНК (рРНК), транспортно-матричные РНК (тмРНК) и малые ядерные РНК (мяРНК). Функции их различны, но все они необходимы для жизни. РНК — это основа для биосинтеза белка, поскольку ДНК не присутствует в цитоплазме, где на рибосомах происходит синтез белковых молекул.

Стоит отметить, что процесс синтеза белка начинается с ДНК, где зашифрована информация о конкретном веществе, поскольку ДНК – это источник генной информации. РНК берет свое начало на ДНК, синтезируясь на ней при помощи специального фермента.

Разобрав по отдельности две нуклеиновые кислоты, можно переходить к подведению итогов. Что же объединяет ДНК и РНК и в чем заключается их кардинальное различие?

Сходства ДНК и РНК

  1. ДНК и РНК являются органическими полимерами, мономеры которых – мононуклеотиды.
  2. Углеводы обеих кислот находятся в b-D-рибофуранозовой форме.
  3. «Сшиваются» соседние мономеры в цепях с помощью остатков фосфорной кислоты.
  4. В своем составе содержат гетероциклические основания (два пиримидиновых и два пуриновых).

Различия ДНК и РНК

  1. В основе мономеров дезоксирибонуклеиновой и рибонуклеиновой кислот – углевод – пентоза и рибоза соответственно.
  2. ДНК в своем составе содержит азотистое основание (пиримидиновое основание) – тимин, а РНК – урацил (отсутствует метильная группа).
  3. ДНК – двойная антипараллельная правозакрученная спираль, а РНК – одиночная цепь.
  4. ДНК способна удваиваться, а РНК – нет.
  5. Основные функции ДНК: Хранение, передача и реализация наследственной информации из поколения в поколение.

    6. Основные функции РНК: Хранение генетической информации и синтез белка в клетке.

  6. Молекула ДНК превышает в своих размерах и массе молекулу РНК.

Ранее люди считали, что основой жизни являются белковые молекулы. С течением времени, опыты и научные исследования выявили один важный момент, живая природа отличается от неживой нуклеиновыми кислотами.

Давайте определим различия ДНК и РНК, а также сходства ДНК и РНК.

Рибонуклеиновая кислота

Рибонуклеиновая кислота (РНК) является одной из макромолекул, которая содержится в клетках каждого живого организма. РНК представляет собой цепь, каждое из звеньев которой называется нуклеотидом. Последовательность звеньев (нуклеотидов) кодирует генетическую информацию.

Транскрипция – это перенос информации из ДНК в РНК, который осуществляется посредством ферментов. Разные типы рибонуклеиновой кислоты обрабатываются разными ферментами. После завершения этого процесса, происходит модификация, которая подразумевает подготовку к следующему действию.

После происходит процесс названный трансляцией, цель которого – синтез белка с участием рибосом. Часть вирусов обладают геномами, состоящими из РНК – это говорит о том, что у них рибонуклеиновая кислота играет роль ДНК.

В 1868г. была открыта молекула РНК, а в 1939г. были определены ее основные функции.

Звенья РНК состоят из сахара и рибозы, но помимо этого, насчитывается еще около 100 модифицированных нуклеотидов, большинство из которых – модификации сахара. Значение и функции большей части соединений не известны, но ясно, что они располагаются в важных участках.

В составе РНК существуют азотистые основания, которые порой образовывают водородные связи или складываются в петлю. Различия между ДНК и РНК в структуре существуют – благодаря гидроксильной группе, молекула рибонуклеиновой кислоты существует в А-конформации.

Учеными-биологами выделяется три основных типа РНК:

  • Рибосомные РНК составляют большую часть, их главная цель – формирование центра рибосомы, где в дальнейшем происходит синтез белка;
  • Транспортные РНК присоединяют к себе аминокислоту и «довозят» ее до нужного места;
  • Информационные РНК передают информацию о белке рибосомам, где эти сведения будут реализованы.

Сходства между ДНК и РНК заключается в том, что обе молекулы могут хранить в себе информацию о процессах. РНК зачастую использует вместо генома вирусоподобные частицы и сами вирусы.

Таким образом, рибонуклеиновая кислота одновременно является носителем важной информации и катализатором реакций. Данные сведения подтолкнули ученых на мысль о том, что РНК самый первый сложный полимер, который появился в процессе эволюции. Данная гипотеза получила название – «РНК-мира».

Дезоксирибонуклеиновая кислота

Дезоксирибонуклеиновая кислота (РНК) наравне с РНК является основной макромолекулой, которая обеспечивает хранение информации, а также отвечает за передачу генетической программы от родителей к потомству. В эукариотических клетках находится в ядре, а также в митохондриях и пластидах. Внешне ДНК выглядит как молекула, которая состоит из блоков – нуклеотидов. Связь между блоками устанавливается благодаря фосфатной группе и дезоксирибозе. Практически во всех случаях ДНК представляет собой две спирализированные цепочки. Тимин, гуанин, аденин, цитозин – азотистые основания, которые скрепляют две цепочки воедино.

Поворотный момент в биологии – это расшифровка ДНК, которая произошла в 1953г. Ранее считалось, что именно белки являются «хранителями» информации.

Информация «записывается» в ДНК как последовательность нуклеотидов, происходит все это с помощью генетического кода. Основные свойства организма – последовательность и наследственность, – связанны именно с ДНК. В ходе репликации производятся копии цепочки.

Единица ДНК – ген, который выступает элементом генома. Геном представляет собой наследственный материал, необходимый для построения организма, а также для поддержания в дальнейшем. У эукариотов гены имеют сложный состав, а на вид представляют собой строение в виде мозаики. Под генетическим контролем проходят все процессы организма, а также деление клетки.

ДНК способна к метаболическим превращением, репарации и репликация сохраняют гены. Правильная транскрипция происходит в том случае, если ген содержит в себе три кодона. Нуклеотиды, расположенные подряд, образуют кодон, которые определяет вид аминокислоты, располагающийся в белке. К примеру, последовательность ТАС – это кодон для метионина, а ТТТ – кодон фениланина.

Рекомбинация представляет реорганизацию генома, которая направлена на осуществление нужных, эффективных комбинаций генов и элементов.

ДНК несет в себе генетическую информацию, благодаря которой возможно жизнедеятельность живого организма. Ученые не могут сказать, что так было всегда, ведь существует теория, что дезоксирибонуклеиновая кислота играла роль в обмене веществ, точно также говорят и о прошлых функциях РНК.

Древние системы сегодня не могут быть представлены нам, ведь ДНК в состоянии окружающей среды остается неизменной лишь 1 миллион лет, а после этого срока распадается.

Существует определенные различия и сходства ДНК и РНК, таблица наглядно демонстрирует это.

Таблица: различия ДНК и РНК

Признак Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) Рибонуклеиновая кислота (РНК)
Нахождение в клетке Эукариоты – митохондрии, ядро, хлоропласты Прокариоты – внутренняя часть клетки Эукариоты – цитоплазмы, ядро, рибосомы, митохондрии, хлоропласты
Нахождение в ядре Ядро Ядрышко
Строение молекулы Двойной линейный полимер, закрученный спиралью Одинарная цепь
Мономер Дезоксирибонуклеин Рибонуклеин
Состав нуклеотидов Пятиуглеродный сахар (дезоксирибоза), азотистые основания (гуанин, цитозин, аденин, тимин), остаток фосфорной кислоты Пятиуглеродный сахар (рибоза), азотистые основания (гуанин, цитозин, аденин, урацил), остаток фосфорной кислоты
Типы нуклеотидов Аденин (A ), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т) Аденин (A ), гуанин (Г), цитозин (Ц), урацил (У)
Свойства Есть возможность самоудвоения, стабильность Нет возможности самоудвоения, лабильность
Основные функции Хранение информации, передачу генетической программы от родителей к потомству Транспортная функция заключается в передаче наследственной информации, информационная функция

ДНК и РНК имеют схожие черты строения, обе молекулы относятся к нуклеиновым кислотам, но имеют несколько разные функции. РНК в первую очередь занимается транспортировкой информации, которая уже записана в ДНК. Помимо этого, ДНК – это двойная цепь, а РНК одинарная.

ДНК и РНК – видео


Главное отличие РНК от ДНК состоит в том, что молекулы РНК являются не двух-, а одноцепочечными. Причиной этому служат следующие особенности первичной структуры РНК:

1. Пентоза в РНК – не дезоксирибоза, а рибоза, которая содержит дополнительную гидроксигруппу. Последняя делает двухцепочечную структуру менее устойчивой.

2. Среди четырех главных (мажорных) азотистых оснований вместо тимина содержится урацил, отличающийся от тимина лишь отсутствием метильной группы у 5-го атома углерода (рис. 12). Благодаря этому уменьшается сила гидрофобного взаимодействия в комплементарной паре А-У. Это снижает вероятность образования устойчивых двухцепочечных молекул.

3. В РНК высоко содержание так называемых минорных оснований. Среди них – дигидроуридин (в урациле нет одной двойной связи), псевдоуридин (урацил иначе, чем обычно, связан с рибозой), диметиладенин и диметилгуанин (в азотистых основаниях – по две дополнительных метильных группы) и многие другие. Почти все эти основания не могут участвовать в комплементарных взаимодействиях.

Перечисленные отличия строения РНК от ДНК имеют большое биологическое значение, так как свою функцию молекулы РНК способны выполнять только в одноцепочечном состоянии.

Общие черты вторичной структуры РНК

Молекулы большинства природных РНК построены из одной полинуклеотидной цепи. Вместе с тем в некоторых участках цепь РНК может образовывать петли, или «шпильки», с двухцепочечной структурой
(рис. 16А). Эта структура стабилизирована взаимодействием оснований в парах А-У, Г-Ц. Однако могут образовываться и «неправильные» пары (например, Г-У), а в некоторых участках «шпильки» вообще не происходит никакого взаимодействия. В составе таких петель может содержаться до 50% всех нуклеотидов.

Третичная структура РНК

Б
В физиологических условиях однотяжевые РНК характеризуются компактной и упорядоченной третичной структурой, которая возникает за счет взаимодействия элементов их вторичной структуры (рис. 16Б).

Рис. 16. Структура РНК:
А – участок вторичной структуры в цепи РНК; Б – схема третичной структуры тРНК

-