Рнк конспект по биологии

Обновлено: 05.07.2024

Строение и функции РНК. РНК, так же как и ДНК, представляет собой биополимер, построенный из нуклеотидов. Однако молекулы РНК имеют ряд особенностей. Вы знаете, что в состав нуклеотидов РНК вместо дезоксирибозы входит рибоза, а вместо тимина (Т) — урацил (У). Кроме того, молекулы РНК значительно короче ДНК и представлены одной полинуклеотидной цепью, а не двумя.

Лишь некоторые вирусы имеют двухцепочечные молекулы РНК, представляющие собой генетический материал этих неклеточных форм.

*Количество нуклеотидов в молекулах ДНК, как правило, исчисляется миллионами, в то время как полинуклеотидные цепи РНК обычно состоят из 75—3000 мономерных звеньев. Известно, что некоторые РНК могут включать десятки тысяч нуклеотидов, но это является не правилом, а исключением.*

Молекулы РНК могут принимать различную пространственную конфигурацию, прежде всего за счет образования водородных связей. Но, в отличие от ДНК, эти связи формируются не между двумя разными цепями, а между отдельными участками одной и той же цепи, комплементарными друг другу.

*Содержание ДНК в клетках организма сравнительно постоянно, а количество РНК сильно варьирует. Молекулы РНК обеспечивают синтез белков, поэтому наибольшее их содержание характерно для клеток, активно вырабатывающих белки. Это, например, секреторные клетки пищеварительных и эндокринных желез, синтезирующие ферменты и белковые гормоны, лейкоциты, продуцирующие антитела, и т. д.*

Существует несколько видов РНК, различающихся по строению молекул, содержанию в клетке и выполняемым функциям. Все виды РНК синтезируются на определенных участках одной из цепей ДНК. Такой синтез называется матричным, поскольку молекула ДНК является матрицей (т. е. образцом, моделью) для построения молекул РНК.

Рибосомные РНК (рРНК) составляют более 80 % всех РНК клетки. Молекулы рРНК соединяются с особыми белками и образуют рибосомы — органоиды, в которых происходит синтез белков из аминокислот.

*Молекулы рРНК составляют более 50 % массы рибосомы и имеют сложную объемную структуру. Бóльшую часть цепи рРНК составляют комплементарные участки. Они соединяются водородными связями и приобретают спиральную конфигурацию. Взаимодействуя с рибосомными белками, одна или несколько молекул рРНК компактно укладываются в пространстве. Так формируются субъединицы рибосом — структурные компоненты этих органоидов.

До открытия рибозимов единственными биологическими катализаторами считались ферменты. За исследование каталитических свойств рибонуклеиновых кислот американские молекулярные биологи С. Олтмен и Т. Чек в 1989 г. были награждены Нобелевской премией.*

Транспортные РНК (тРНК) — самые маленькие из молекул РНК, участвующих в синтезе белков. В среднем они состоят из 80 нуклеотидов. тРНК связывают аминокислоты, доставляют их в рибосомы и обеспечивают правильное включение этих аминокислот в полипептидную цепь. Для каждой из 20 белокобразующих аминокислот существует как минимум одна особая разновидность тРНК, а для некоторых аминокислот — несколько. Содержание тРНК составляет около 15 % от общего количества клеточных РНК.

Все тРНК имеют сходное строение. Благодаря образованию внутримолекулярных водородных связей молекулы тРНК приобретают особую структуру, в которой комплементарно связанные участки чередуются с петлями (рис. 8.1). Такая пространственная конфигурация была названа клеверным листом.

*Как и любая другая полинуклеотидная цепь, молекула тРНК имеет 5'- и 3'-концы. У всех тРНК на 5'-конце находится гуаниловый нуклеотид, а 3'-конец завершается последовательностью ЦЦА. Присоединение аминокислоты происходит именно к 3'-концу молекулы тРНК, поэтому он называется акцепторным хвостом.*

Матричные, или информационные, РНК (мРНК, иРНК) наиболее разнообразны по строению и длине цепей. Молекулы мРНК содержат информацию о первичной структуре определенных белков. Во время синтеза белков в рибосомах они служат матрицами, определяющими порядок расположения аминокислот в белковых молекулах. Поэтому биосинтез белка, так же как и синтез РНК, относится к матричным процессам. Количество мРНК не превышает 3—5 % всех РНК, содержащихся в клетке.

*У ядерных организмов каждая молекула мРНК, как правило, содержит закодированную информацию о структуре одного белка. Для бактерий и вирусов характерны мРНК, кодирующие несколько разных белков.*

Функции рассмотренных видов РНК связаны с процессами синтеза белка. Следовательно, рРНК, тРНК и мРНК обеспечивают реализацию наследственной информации, хранящейся в молекулах ДНК.

В клетке молекулы РНК содержат ядра, цитоплазма, а также органоиды, в которых происходит синтез белка: рибосомы, митохондрии, хлоропласты.

Рибонуклеиновая кислота ( РНК ) — биополимер, представляющий собой одну цепочку нуклеотидов. Мономеры (нуклеотиды) РНК состоят из пятиуглеродного сахара — рибозы , остатка фосфорной кислоты и азотистого основания.

Три азотистых основания в молекулах РНК такие же, как и у ДНК — аденин , гуанин , цитозин , а четвертым является урацил .

Образование полимера РНК происходит также, как и у ДНК — за счёт ковалентных связей между углеводом рибозой одного нуклеотида и фосфорной кислоты другого.

Информационные РНК ( иРНК ) образуются в ядре на ДНК при участии фермента РНК-полимеразы. В клетке их содержание составляет приблизительно \(5\) % от всех РНК.

Рибосомные РНК ( рРНК ) синтезируются в ядрышке и составляют основу рибосом, формируя активный центра рибосомы, в котором осуществляется биосинтез белка. рРНК составляют примерно \(85\) % всей РНК клетки.

Транспортные РНК ( тРНК ) тоже собираются в ядре, а затем перемещаются в цитоплазму. Они образованы небольшим количеством нуклеотидов (\(70\)–\(90\)). В клетке тРНК содержится примерно \(10\) % .

тРНК транспортируют аминокислоты к месту синтеза белка на рибосоме. Каждый вид аминокислот переносится отдельным видом тРНК.

Три вида РНК составляют общую функциональную систему, обеспечивающую реализацию генетической информации через синтез специфических для клетки белков.

К нуклеиновым кислотам относят высокополимерные соединения, распадающиеся при гидролизе на пуриновые и пиримидиновые основания, пентозу и фосфорную кислоту. Нуклеиновые кислоты содержат углерод, водород, фосфор, кислород и азот. Различают два класса нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).

Строение и функции ДНК

ДНК — полимер, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды. Модель пространственного строения молекулы ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком (для построения этой модели они использовали работы М. Уилкинса, Р. Франклин, Э. Чаргаффа).

Молекула ДНК образована двумя полинуклеотидными цепями, спирально закрученными друг около друга и вместе вокруг воображаемой оси, т.е. представляет собой двойную спираль (исключение — некоторые ДНК-содержащие вирусы имеют одноцепочечную ДНК). Диаметр двойной спирали ДНК — 2 нм, расстояние между соседними нуклеотидами — 0,34 нм, на один оборот спирали приходится 10 пар нуклеотидов. Длина молекулы может достигать нескольких сантиметров. Молекулярный вес — десятки и сотни миллионов. Суммарная длина ДНК ядра клетки человека — около 2 м. В эукариотических клетках ДНК образует комплексы с белками и имеет специфическую пространственную конформацию.

Мономер ДНК — нуклеотид (дезоксирибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания нуклеиновых кислот относятся к классам пиримидинов и пуринов. Пиримидиновые основания ДНК (имеют в составе своей молекулы одно кольцо) — тимин, цитозин. Пуриновые основания (имеют два кольца) — аденин и гуанин.

Моносахарид нуклеотида ДНК представлен дезоксирибозой.

Название нуклеотида является производным от названия соответствующего основания. Нуклеотиды и азотистые основания обозначаются заглавными буквами.

Азотистое основание	Название нуклеотида	Обозначение
Аденин	Адениловый	А (A)
Гуанин	Гуаниловый	Г (G)
Тимин	Тимидиловый	Т (T)
Цитозин	Цитидиловый	Ц (C)

Полинуклеотидная цепь образуется в результате реакций конденсации нуклеотидов. При этом между 3'-углеродом остатка дезоксирибозы одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает фосфоэфирная связь (относится к категории прочных ковалентных связей). Один конец полинуклеотидной цепи заканчивается 5'-углеродом (его называют 5'-концом), другой — 3'-углеродом (3'-концом).

Из принципа комплементарности следует, что последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой.

Функция ДНК — хранение и передача наследственной информации.

Репликация (редупликация) ДНК

Репликация ДНК — процесс самоудвоения, главное свойство молекулы ДНК. Репликация относится к категории реакций матричного синтеза, идет с участием ферментов. Под действием ферментов молекула ДНК раскручивается, и около каждой цепи, выступающей в роли матрицы, по принципам комплементарности и антипараллельности достраивается новая цепь. Таким образом, в каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая — вновь синтезированной. Такой способ синтеза называется полуконсервативным.

В репликации участвуют следующие ферменты:

С помощью геликаз в определенных участках ДНК расплетается, одноцепочечные участки ДНК связываются дестабилизирующими белками, образуется репликационная вилка. При расхождении 10 пар нуклеотидов (один виток спирали) молекула ДНК должна совершить полный оборот вокруг своей оси. Чтобы предотвратить это вращение ДНК-топоизомераза разрезает одну цепь ДНК, что дает ей возможность вращаться вокруг второй цепи.

ДНК-полимераза может присоединять нуклеотид только к 3'-углероду дезоксирибозы предыдущего нуклеотида, поэтому данный фермент способен передвигаться по матричной ДНК только в одном направлении: от 3'-конца к 5'-концу этой матричной ДНК. Так как в материнской ДНК цепи антипараллельны, то на ее разных цепях сборка дочерних полинуклеотидных цепей происходит по-разному и в противоположных направлениях. На цепи 3'–5' синтез дочерней полинуклеотидной цепи идет без перерывов; эта дочерняя цепь будет называться лидирующей. На цепи 5'–3' — прерывисто, фрагментами (фрагменты Оказаки), которые после завершения репликации ДНК-лигазами сшиваются в одну цепь; эта дочерняя цепь будет называться запаздывающей (отстающей).

Купить проверочные работы
по биологии

Репликация протекает сходно у прокариот и эукариот. Скорость синтеза ДНК у прокариот на порядок выше (1000 нуклеотидов в секунду), чем у эукариот (100 нуклеотидов в секунду). Репликация начинается одновременно в нескольких участках молекулы ДНК. Фрагмент ДНК от одной точки начала репликации до другой образует единицу репликации — репликон.

Репликация происходит перед делением клетки. Благодаря этой способности ДНК осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним.

Наиболее изучены три механизма репарации: 1) фоторепарация, 2) эксцизная, или дорепликативная, репарация, 3) пострепликативная репарация.

Изменения структуры ДНК происходят в клетке постоянно под действием реакционно-способных метаболитов, ультрафиолетового излучения, тяжелых металлов и их солей и др. Поэтому дефекты систем репарации повышают скорость мутационных процессов, являются причиной наследственных заболеваний (пигментная ксеродерма, прогерия и др.).

Строение и функции РНК

РНК — полимер, мономерами которой являются рибонуклеотиды. В отличие от ДНК, РНК образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой (исключение — некоторые РНК-содержащие вирусы имеют двухцепочечную РНК). Нуклеотиды РНК способны образовывать водородные связи между собой. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК.

Мономер РНК — нуклеотид (рибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания РНК также относятся к классам пиримидинов и пуринов.

Пиримидиновые основания РНК — урацил, цитозин, пуриновые основания — аденин и гуанин. Моносахарид нуклеотида РНК представлен рибозой.

Выделяют три вида РНК: 1) информационная (матричная) РНК — иРНК (мРНК), 2) транспортная РНК — тРНК, 3) рибосомная РНК — рРНК.

Все виды РНК представляют собой неразветвленные полинуклеотиды, имеют специфическую пространственную конформацию и принимают участие в процессах синтеза белка. Информация о строении всех видов РНК хранится в ДНК. Процесс синтеза РНК на матрице ДНК называется транскрипцией.

Рибосомные РНК содержат 3000–5000 нуклеотидов; молекулярная масса — 1 000 000–1 500 000. На долю рРНК приходится 80–85% от общего содержания РНК в клетке. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы — органоиды, осуществляющие синтез белка. В эукариотических клетках синтез рРНК происходит в ядрышках. Функции рРНК: 1) необходимый структурный компонент рибосом и, таким образом, обеспечение функционирования рибосом; 2) обеспечение взаимодействия рибосомы и тРНК; 3) первоначальное связывание рибосомы и кодона-инициатора иРНК и определение рамки считывания, 4) формирование активного центра рибосомы.

Информационные РНК разнообразны по содержанию нуклеотидов и молекулярной массе (от 50 000 до 4 000 000). На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке. Функции иРНК: 1) перенос генетической информации от ДНК к рибосомам, 2) матрица для синтеза молекулы белка, 3) определение аминокислотной последовательности первичной структуры белковой молекулы.

Строение и функции АТФ

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — универсальный источник и основной аккумулятор энергии в живых клетках. АТФ содержится во всех клетках растений и животных. Количество АТФ в среднем составляет 0,04% (от сырой массы клетки), наибольшее количество АТФ (0,2–0,5%) содержится в скелетных мышцах.

АТФ состоит из остатков: 1) азотистого основания (аденина), 2) моносахарида (рибозы), 3) трех фосфорных кислот. Поскольку АТФ содержит не один, а три остатка фосфорной кислоты, она относится к рибонуклеозидтрифосфатам.

Для большинства видов работ, происходящих в клетках, используется энергия гидролиза АТФ. При этом при отщеплении концевого остатка фосфорной кислоты АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту), при отщеплении второго остатка фосфорной кислоты — в АМФ (аденозинмонофосфорную кислоту). Выход свободной энергии при отщеплении как концевого, так и второго остатков фосфорной кислоты составляет по 30,6 кДж. Отщепление третьей фосфатной группы сопровождается выделением только 13,8 кДж. Связи между концевым и вторым, вторым и первым остатками фосфорной кислоты называются макроэргическими (высокоэнергетическими).

Запасы АТФ постоянно пополняются. В клетках всех организмов синтез АТФ происходит в процессе фосфорилирования, т.е. присоединения фосфорной кислоты к АДФ. Фосфорилирование происходит с разной интенсивностью при дыхании (митохондрии), гликолизе (цитоплазма), фотосинтезе (хлоропласты).

АТФ является основным связующим звеном между процессами, сопровождающимися выделением и накоплением энергии, и процессами, протекающими с затратами энергии. Кроме этого, АТФ наряду с другими рибонуклеозидтрифосфатами (ГТФ, ЦТФ, УТФ) является субстратом для синтеза РНК.

Нуклеиновые кислоты

По строению РНК и ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) сходны. Эти вещества представляют собой биополимеры, молекулы которых — это длинные цепи, состоящие из отдельных фрагментов (остатков нуклеотидов). Присутствуя в каждой живой клетке, они выполняют следующие функции:

Хранение информации как о самой клетке, так и обо всём организме, частью которого она является.
Передача информации следующему поколению клеток при делении.
Хранение, передача и расшифровка информации о реализации признаков организма, закодированных генами.

Основным фактором, отличающим друг от друга рибонуклеиновую и дезоксирибонуклеиновую кислоты, являются входящие в их состав углеводы, а именно дезоксирибоза в ДНК и рибоза в РНК.

Происхождение и структура

Каждый из мономеров, составляющих длинную молекулу, состоит из азотистого основания и присоединённых к нему фосфатных групп и углевода рибозы. Посредством соединения рибозы и фосфатного остатка осуществляется связь мономеров в цепь.

Кодирование информации обусловлено последовательностью расположения нуклеотидов в цепи.

Процесс биосинтеза рибонуклеиновой кислоты в живой клетке, называемый транскрипцией, осуществляется при обязательном присутствии фермента РНК-полимеразы. Соединение между собой мономеров (нуклеотидов), входящих в состав макромолекулы, осуществляется за счёт взаимодействия фосфатного остатка одного мономера с углеводным фрагментом другого.

Матрицей, на основе которой синтезируются молекулы этого вещества, может служить и молекула ДНК, и другая молекула РНК. В частности, на основе нуклеиновой кислоты с рибозой происходит репликация РНК-содержащих вирусов.

Примечательно, что этот фермент (полимераза) существует в различных модификациях, что обусловливает синтез разных видов этого вещества. Все разновидности рибонуклеиновой кислоты имеют сходное строение. Их пространственная структура напоминает по конфигурации листок клевера.

История исследования вопроса

Начало изучению нуклеиновых кислот было положено ещё в середине XIX века швейцарским учёным, обнаружившим эти вещества в клеточном ядре. Он назвал их нуклеином. Наличие этих веществ в прокариотических бактериальных клетках, не содержащих ядра, было доказано несколько позднее.

Предположение о роли РНК, которую она играет в биосинтезе белковых молекул, было сделано в 1939 году. В ходе эксперимента было продемонстрировано, что РНК, кодирующая структуру гемоглобина кролика, при введении в другую клетку заставляет её синтезировать тот же самый белок. Описанный опыт наглядно продемонстрировал роль этого вещества в живом организме. Параллельно с этим ещё одно исследование показало, что клетки, активно синтезирующие белковые вещества, содержат большее количество РНК, по сравнению с другими клеточными структурами.

Механизм синтеза самой рибонуклеиновой кислоты был открыт в середине XX века, за что в 1959 году была выдана Нобелевская премия по медицине. Ещё одна аналогичная награда в этой области была выдана в связи с расшифровкой последовательности цепи из 77 нуклеотидов транспортной РНК одного из видов дрожжевых грибков.

Шифрование, хранение и передача информации, в частности, генетической информации клетки. Сейчас, после определённых изменений, которые произошли в ходе эволюции, эту функцию стала выполнять дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).
Участие в ряде метаболических процессов, которое проявляется в их ускорении (каталитическая активность). В сегодняшнем мире эта функция принадлежит ферментам — специализированным веществам, имеющим белковую природу.

Открытие нуклеиновых кислот и успехи в исследовании их свойств и других характеристик дали мощный толчок в развитии молекулярной биологии. С этого момента и берёт начало исследование механизмов передачи информации как внутри клеток, так и между ними. Полученные экспериментально данные объясняют в том числе и механизм наследования некоторых признаков (один из основных принципов теории эволюции — наследственность).

Типы РНК

В зависимости от функций, выполняемых в организме, принято выделять несколько типов рибонуклеиновой кислоты. Каждый из них имеет своё специальное обозначение.

Различные типы этого вещества и соответствующие функции РНК для наглядности можно представить в виде таблицы:

Название	Условное обозначение	Особенности
Информационная (матричная)	иРНК (мРНК)	Из всей рибонуклеиновой кислоты, содержащейся в клетке, она составляет около 5%. Содержит и передаёт информацию о первичной структуре белка. Созревая, становится матрицей для синтеза полипептидной белковой молекулы. Молекулы информационной РНК присутствуют в клетке до тех пор, пока синтезируется необходимая белковая молекула. После того как матрица становится не нужна, клетка ее разрушает.
Рибосомальная	рРНК	Синтез рибосомальной РНК осуществляется в ядрышке. Её молекулы имеют довольно крупные габариты, состоят из из большого количества нуклеотидов — от 3000 до 5000. Составляя 80−85% всей РНК клетки, имеет несколько разновидностей, которые входят в состав рибосом, отличаясь друг от друга длиной цепи, выполняемыми функциями, а также вторичной и третичной структурой. Молекулы рибосомальной РНК считывают информацию, закодированную информационной молекулой и способствуют образованию связей между аминокислотами в белковой цепи.
Транспортная	тРНК	Эта разновидность рибонуклеиновой кислоты синтезируется в ядре клетки на основе матрицы ДНК, после чего выходит в цитоплазму. Характерной чертой транспортной РНК является небольшой по меркам полимерных веществ размер молекулы (по сравнению с молекулами того же вещества, которым присущи другие функции). Она может содержать около 80 мономеров. Функция этого вещества: транспорт аминокислот, являющихся строительными материалами для протеинов к месту сборки белковой молекулы. Если представить пространственную структуру молекулы нуклеиновой кислоты в виде фигуры, напоминающей листок клевера, то транспортируемая аминокислота присоединяется к его черешку. Молекула транспортной рибонуклеиновой кислоты неуниверсальна: для доставки к рибосоме каждого вида аминокислот необходима своя разновидность транспортной РНК. Всего таких видов известно около 60.

Указанные в таблице типы РНК являются основными. Кроме них существуют и другие разновидности этого вещества. Все они в совокупности составляют единую систему, значение которой крайне велико: она направлена на считывание и воспроизведение наследственной информации через синтез белковых структур.

Существует ещё одна классификации РНК; согласно ей, выделяют следующие разновидности:

Ядерная. Рапространение — ядро эукариотических клеток. Молекула собирается полимеразой 2 или 3 типов. После сборки выходит в цитоплазму клетки, где происходит созревание; потом возвращается в ядро. Участвует в процессе созревания матричной РНК. В цепи такой нуклеиновой кислоты находится много уридиновых нуклеотидов. Имеется и малый (ядрышковый) подтип.
Цитоплазматическая. Находится под влиянием ядерной разновидности нуклеиновой кислоты. Функция — участие в антителообразовании в зрелых плазматических клетках.
Митохондриальная. В отличие от ядерной, располагается в митохондриях.
Пластидная. Кодирует гены, обеспечивающие процессы транскрипции и трансляции.

В основе такого подразделения лежит место её нахождения внутри клетки.

Читайте также: