RNK biološka poruka. ribonukleinske kiseline (RNA)

TO nukleinske kiseline uključuju visokopolimerna jedinjenja koja se tokom hidrolize raspadaju na purinske i pirimidinske baze, pentozu i fosfornu kiselinu. Nukleinske kiseline sadrže ugljik, vodonik, fosfor, kisik i dušik. Postoje dvije klase nukleinskih kiselina: ribonukleinske kiseline (RNA) I dezoksiribonukleinske kiseline (DNK).

Struktura i funkcije DNK

DNK- polimer čiji su monomeri deoksiribonukleotidi. Model prostorne strukture molekule DNK u obliku dvostruke spirale predložili su 1953. J. Watson i F. Crick (za izgradnju ovog modela koristili su rad M. Wilkinsa, R. Franklina, E. Chargaffa ).

DNK molekula formirana od dva polinukleotidna lanca, spiralno uvijena jedan oko drugog i zajedno oko zamišljene ose, tj. je dvostruka spirala (s izuzetkom da neki virusi koji sadrže DNK imaju jednolančanu DNK). Promjer dvostruke spirale DNK je 2 nm, udaljenost između susjednih nukleotida je 0,34 nm, a po okretu spirale ima 10 parova nukleotida. Dužina molekula može doseći nekoliko centimetara. Molekularna težina - desetine i stotine miliona. Ukupna dužina DNK u jezgru ljudske ćelije je oko 2 m. U eukariotskim ćelijama DNK formira komplekse sa proteinima i ima specifičnu prostornu konformaciju.

DNK monomer - nukleotid (deoksiribonukleotid)- sastoji se od ostataka tri supstance: 1) azotne baze, 2) monosaharida sa pet ugljenika (pentoze) i 3) fosforne kiseline. Dušične baze nukleinskih kiselina pripadaju klasama pirimidina i purina. DNK pirimidinske baze(imaju jedan prsten u svojoj molekuli) - timin, citozin. Purinske baze(imaju dva prstena) - adenin i gvanin.

DNK nukleotid monosaharid je deoksiriboza.

Ime nukleotida izvedeno je iz imena odgovarajuće baze. Nukleotidi i azotne baze su označeni velikim slovima.

Polinukleotidni lanac nastaje kao rezultat reakcija kondenzacije nukleotida. U ovom slučaju, između 3"-ugljika ostatka deoksiriboze jednog nukleotida i ostatka fosforne kiseline drugog, fosfoesterska veza(spada u kategoriju jakih kovalentnih veza). Jedan kraj polinukleotidnog lanca završava ugljenikom od 5" (koji se naziva kraj od 5"), drugi završava ugljenikom od 3" (3" kraj).

Nasuprot jednom lancu nukleotida nalazi se drugi lanac. Raspored nukleotida u ova dva lanca nije slučajan, već je strogo definisan: timin se uvek nalazi nasuprot adenina jednog lanca u drugom lancu, a citozin se uvek nalazi nasuprot gvanina, između adenina i timina nastaju dve vodikove veze, a tri vodonične veze nastaju između gvanina i citozina. Obrazac prema kojem su nukleotidi različitih DNK lanaca strogo uređeni (adenin - timin, gvanin - citozin) i selektivno se međusobno povezuju naziva se princip komplementarnosti. Treba napomenuti da su J. Watson i F. Crick shvatili princip komplementarnosti nakon što su se upoznali sa radovima E. Chargaffa. E. Chargaff, proučavajući ogroman broj uzoraka tkiva i organa različitih organizama, otkrio je da u bilo kojem fragmentu DNK sadržaj ostataka gvanina uvijek tačno odgovara sadržaju citozina, a adenina timinu ( "Chargaffovo pravilo"), ali tu činjenicu nije mogao objasniti.

Iz principa komplementarnosti slijedi da nukleotidni niz jednog lanca određuje nukleotidni niz drugog.

DNK lanci su antiparalelni (višesmjerni), tj. nukleotidi različitih lanaca nalaze se u suprotnim smjerovima, i, stoga, nasuprot 3" kraja jednog lanca nalazi se 5" kraj drugog. Molekul DNK se ponekad upoređuje sa spiralnim stepenicama. „Ograda“ ovog stepeništa je šećerno-fosfatna kičma (naizmjenični ostaci dezoksiriboze i fosforne kiseline); “stepenice” su komplementarne azotne baze.

Funkcija DNK- čuvanje i prenošenje nasljednih informacija.

DNK replikacija (reduplikacija)

- proces samoumnožavanja, glavno svojstvo molekula DNK. Replikacija spada u kategoriju reakcija sinteze matriksa i odvija se uz učešće enzima. Pod dejstvom enzima molekula DNK se odmotava, a oko svakog lanca se gradi novi lanac koji deluje kao šablon, po principima komplementarnosti i antiparalelnosti. Dakle, u svakoj ćerki DNK, jedan lanac je majčinski lanac, a drugi je novosintetizovan. Ova metoda sinteze se zove polukonzervativan.

“Građevinski materijal” i izvor energije za replikaciju su deoksiribonukleozid trifosfati(ATP, TTP, GTP, CTP) koji sadrži tri ostatka fosforne kiseline. Kada se deoksiribonukleozid trifosfati ugrade u polinukleotidni lanac, dva terminalna ostatka fosforne kiseline se odcjepljuju, a oslobođena energija se koristi za formiranje fosfodiestarske veze između nukleotida.

U replikaciji su uključeni sljedeći enzimi:

1. helikaze („odmotavanje“ DNK);
2. destabilizirajući proteini;
3. DNK topoizomeraze (isječena DNK);
4. DNK polimeraze (odabrati deoksiribonukleozid trifosfate i komplementarno ih vezati za lanac DNK šablona);
5. RNA primaze (formiraju RNA prajmere);
6. DNK ligaze (povezuju fragmente DNK zajedno).

Uz pomoć helikaza, DNK se raspliće u određenim dijelovima, jednolančani dijelovi DNK su vezani destabilizirajućim proteinima, a viljuška za replikaciju. Sa divergencijom od 10 parova nukleotida (jedan okret spirale), molekul DNK mora napraviti punu revoluciju oko svoje ose. Da bi sprečila ovu rotaciju, DNK topoizomeraza preseca jedan lanac DNK, dozvoljavajući mu da se rotira oko drugog lanca.

DNK polimeraza može vezati nukleotid samo za 3" ugljik deoksiriboze prethodnog nukleotida, stoga se ovaj enzim može kretati duž DNK šablona u samo jednom smjeru: od 3" kraja do 5" kraja ovog šablonskog DNK. Pošto su u matičnoj DNK lanci antiparalelni, onda se na njenim različitim lancima sklapanje ćerki polinukleotidnih lanaca odvija različito iu suprotnim smerovima. Na lancu 3"-5", sinteza ćerki polinukleotidnog lanca teče bez prekida; ova ćerka lanac će biti pozvan vodeći. Na lancu od 5"-3" - povremeno, u fragmentima ( fragmenti Okazakija), koji se, nakon završetka replikacije, spajaju u jedan lanac pomoću DNK ligaza; ovaj podređeni lanac će biti pozvan zaostajanje (zaostaje).

Posebnost DNK polimeraze je da ona može započeti svoj rad samo sa "sjemenke" (prajmer). Ulogu “prajmera” obavljaju kratke RNA sekvence formirane od enzima RNA primaze i uparene sa šablonom DNK. RNA prajmeri se uklanjaju nakon završetka sastavljanja polinukleotidnih lanaca.

Replikacija se odvija slično kod prokariota i eukariota. Stopa sinteze DNK kod prokariota je red veličine veća (1000 nukleotida u sekundi) nego kod eukariota (100 nukleotida u sekundi). Replikacija počinje istovremeno u nekoliko dijelova molekule DNK. Fragment DNK od jednog izvora replikacije do drugog formira jedinicu replikacije - replicon.

Replikacija se događa prije diobe ćelije. Zahvaljujući ovoj sposobnosti DNK, nasljedne informacije se prenose sa ćelije majke na ćelije kćeri.

Popravka ("popravka")

Reparacije je proces eliminacije oštećenja nukleotidne sekvence DNK. Izvodi se posebnim enzimskim sistemima ćelije ( popravljaju enzime). U procesu obnavljanja strukture DNK mogu se razlikovati sljedeće faze: 1) nukleaze za popravku DNK prepoznaju i uklanjaju oštećeno područje, uslijed čega nastaje praznina u lancu DNK; 2) DNK polimeraza popunjava ovu prazninu, kopirajući informacije iz drugog (“dobrog”) lanca; 3) DNK ligaza "poprečno povezuje" nukleotide, dovršavajući popravku.

Najviše su proučavana tri mehanizma popravka: 1) fotoreparacija, 2) eksciziona, ili pre-replikacijska popravka, 3) post-replikacijska popravka.

Promjene u strukturi DNK nastaju u ćeliji konstantno pod uticajem reaktivnih metabolita, ultraljubičastog zračenja, teških metala i njihovih soli itd. Zbog toga defekti sistema popravke povećavaju brzinu mutacijskih procesa i uzrokuju nasljedne bolesti (xeroderma pigmentosum, progerija, itd.). itd.).

Struktura i funkcije RNK

- polimer čiji su monomeri ribonukleotidi. Za razliku od DNK, RNK se ne formira od dva, već od jednog polinukleotidnog lanca (s izuzetkom da neki virusi koji sadrže RNK imaju dvolančanu RNK). RNA nukleotidi su sposobni da formiraju vodonične veze jedni s drugima. RNK lanci su mnogo kraći od lanaca DNK.

RNA monomer - nukleotid (ribonukleotid)- sastoji se od ostataka tri supstance: 1) azotne baze, 2) monosaharida sa pet ugljenika (pentoze) i 3) fosforne kiseline. Azotne baze RNK takođe pripadaju klasama pirimidina i purina.

Pirimidinske baze RNK su uracil i citozin, a purinske baze su adenin i gvanin. RNA nukleotidni monosaharid je riboza.

Istaknite tri vrste RNK: 1) informativni(messenger) RNA - mRNA (mRNA), 2) transport RNA - tRNA, 3) ribosomalni RNA - rRNA.

Sve vrste RNK su nerazgranati polinukleotidi, imaju specifičnu prostornu konformaciju i učestvuju u procesima sinteze proteina. Informacije o strukturi svih vrsta RNK pohranjene su u DNK. Proces sinteze RNK na DNK šablonu naziva se transkripcija.

Transfer RNA obično sadrže 76 (od 75 do 95) nukleotida; molekulska težina - 25 000-30 000. tRNA čini oko 10% ukupnog sadržaja RNK u ćeliji. Funkcije tRNA: 1) transport aminokiselina do mesta sinteze proteina, do ribozoma, 2) translacioni posrednik. U ćeliji se nalazi oko 40 tipova tRNA, a svaka od njih ima jedinstvenu sekvencu nukleotida. Međutim, sve tRNA imaju nekoliko intramolekularnih komplementarnih regiona, zbog čega tRNA dobijaju konformaciju nalik na list djeteline. Svaka tRNA ima petlju za kontakt sa ribozomom (1), petlju antikodona (2), petlju za kontakt sa enzimom (3), akceptorsku stabljiku (4) i antikodon (5). Aminokiselina se dodaje na 3" kraj akceptorske stabljike. Anticodon- tri nukleotida koji "identifikuju" kodon mRNA. Treba naglasiti da specifična tRNA može transportirati striktno definiranu aminokiselinu koja odgovara njenom antikodonu. Specifičnost veze između aminokiseline i tRNA postiže se zahvaljujući svojstvima enzima aminoacil-tRNA sintetaze.

Ribosomalna RNA sadrže 3000-5000 nukleotida; molekulska težina - 1 000 000-1 500 000. rRNA čini 80-85% ukupnog sadržaja RNK u ćeliji. U kompleksu sa ribosomskim proteinima, rRNA formira ribozome - organele koje provode sintezu proteina. U eukariotskim ćelijama, sinteza rRNA se odvija u jezgrama. Funkcije rRNA: 1) neophodna strukturna komponenta ribozoma i time osigurava funkcionisanje ribozoma; 2) obezbeđivanje interakcije ribozoma i tRNK; 3) početno vezivanje ribozoma i inicijatorskog kodona mRNK i određivanje okvira čitanja, 4) formiranje aktivnog centra ribozoma.

Messenger RNA varirao u sadržaju nukleotida i molekularnoj težini (od 50.000 do 4.000.000). mRNA čini do 5% ukupnog sadržaja RNK u ćeliji. Funkcije mRNA: 1) prenos genetske informacije sa DNK na ribozome, 2) matrica za sintezu proteinskog molekula, 3) određivanje aminokiselinske sekvence primarne strukture proteinskog molekula.

Struktura i funkcije ATP-a

Adenozin trifosforna kiselina (ATP)- univerzalni izvor i glavni akumulator energije u živim ćelijama. ATP se nalazi u svim biljnim i životinjskim ćelijama. Količina ATP-a je u prosjeku 0,04% (od vlažne težine ćelije), najveća količina ATP-a (0,2-0,5%) nalazi se u skeletnim mišićima.

ATP se sastoji od ostataka: 1) azotne baze (adenin), 2) monosaharida (riboza), 3) tri fosforne kiseline. Pošto ATP ne sadrži jedan, već tri ostatka fosforne kiseline, on pripada ribonukleozid trifosfatima.

Većina posla koji se dešava u ćelijama koristi energiju hidrolize ATP-a. U ovom slučaju, kada se eliminiše terminalni ostatak fosforne kiseline, ATP se transformiše u ADP (adenozin difosforna kiselina), a kada se eliminiše drugi ostatak fosforne kiseline, pretvara se u AMP (adenozin monofosforna kiselina). Prinos slobodne energije nakon eliminacije i terminalnog i drugog ostatka fosforne kiseline je 30,6 kJ. Eliminacija treće fosfatne grupe je praćena oslobađanjem samo 13,8 kJ. Veze između terminala i drugog, drugog i prvog ostataka fosforne kiseline nazivaju se visokoenergetske (visokoenergetske).

Rezerve ATP-a se stalno popunjavaju. U ćelijama svih organizama do sinteze ATP-a dolazi u procesu fosforilacije, tj. dodavanje fosforne kiseline u ADP. Fosforilacija se javlja različitim intenzitetom tokom disanja (mitohondrije), glikolize (citoplazma) i fotosinteze (hloroplasti).

ATP je glavna veza između procesa praćenih oslobađanjem i akumulacijom energije i procesa koji se odvijaju uz potrošnju energije. Osim toga, ATP, zajedno sa drugim ribonukleozid trifosfatima (GTP, CTP, UTP), je supstrat za sintezu RNK.

Idi predavanja br. 3„Struktura i funkcije proteina. enzimi"

Idi predavanja br. 5„Ćelijska teorija. Vrste ćelijske organizacije"

Je li sinteza proteinske molekule zasnovana na glasničkoj RNK (translacija). Međutim, za razliku od transkripcije, nukleotidna sekvenca se ne može direktno prevesti u sekvencu aminokiselina, budući da ova jedinjenja imaju različite hemijske prirode. Stoga je za prevođenje potreban posrednik u obliku prijenosne RNK (tRNA), čija je funkcija da prevede genetski kod na „jezik“ aminokiselina.

Opće karakteristike transferne RNK

Transfer RNA ili tRNA su male molekule koje isporučuju aminokiseline do mjesta sinteze proteina (ribozoma). Količina ove vrste ribonukleinske kiseline u ćeliji je približno 10% ukupnog RNK fonda.

Kao i druge vrste tRNA, sastoji se od lanca ribonukleozid trifosfata. Dužina nukleotidne sekvence je 70-90 jedinica, a oko 10% sastava molekula čine manje komponente.

Zbog činjenice da svaka aminokiselina ima svoj transporter u obliku tRNA, stanica sintetizira veliki broj varijanti ove molekule. Ovisno o vrsti živog organizma, ovaj pokazatelj varira od 80 do 100.

Funkcije tRNA

Transfer RNA je dobavljač supstrata za sintezu proteina, koja se javlja u ribosomima. Zbog jedinstvene sposobnosti da se veže i za aminokiseline i za šablonsku sekvencu, tRNA obavlja funkciju senzorskog adaptera kada prevodi genetske informacije iz RNK oblika u oblik proteina. Interakcija takvog posrednika sa kodirajućom matricom, kao kod transkripcije, zasniva se na principu komplementarnosti azotnih baza.

Glavna funkcija tRNA je da prihvati jedinice aminokiselina i transportuje ih do aparata za sintezu proteina. Iza ovog tehničkog procesa krije se ogromno biološko značenje - implementacija genetskog koda. Implementacija ovog procesa zasniva se na sljedećim karakteristikama:

• sve aminokiseline su kodirane nukleotidnim tripletima;
• za svaki triplet (ili kodon) postoji antikodon koji je dio tRNK;
• svaka tRNA se može vezati samo za određenu aminokiselinu.

Dakle, aminokiselinska sekvenca proteina je određena prema tome koje će tRNA i kojim redoslijedom komplementarno komunicirati sa glasničkom RNK tokom translacije. To je moguće zbog prisustva funkcionalnih centara u prijenosnoj RNK, od kojih je jedan odgovoran za selektivno dodavanje aminokiseline, a drugi za vezivanje za kodon. Stoga su funkcije usko povezane.

Struktura transferne RNK

Jedinstvenost tRNA je u tome što njena molekularna struktura nije linearna. Uključuje dvolančane spiralne regije koje se nazivaju stabljike i 3 jednolančane petlje. Ova konformacija je u obliku lista djeteline.

U strukturi tRNA razlikuju se sljedeće stabljike:

• akceptor;
• antikodon;
• dihidrouridil;
• pseudouridil;
• dodatno.

Dvostruke spirale stabljike sadrže od 5 do 7 Watson-Crickson parova. Na kraju akceptorske stabljike nalazi se mali lanac nesparenih nukleotida, čiji je 3-hidroksil mjesto vezivanja odgovarajućeg molekula aminokiseline.

Strukturna regija za vezu sa mRNA je jedna od petlji tRNA. Sadrži antikodon, komplementaran osjetilnom tripletu.To je antikodon i kraj akceptora koji obezbjeđuju funkciju adaptera tRNA.

Tercijarna struktura molekula

“List djeteline” je sekundarna struktura tRNK, ali zbog savijanja molekul poprima konformaciju u obliku slova L, koja se drži zajedno dodatnim vodikovim vezama.

L-oblik je tercijarna struktura tRNA i sastoji se od dvije gotovo okomite A-RNA spirale, dužine 7 nm i debljine 2 nm. Ovaj oblik molekule ima samo 2 kraja od kojih se na jednom nalazi antikodon, a na drugom akceptorski centar.

Osobine vezivanja tRNA za aminokiselinu

Aktivacija aminokiselina (njihovo dodavanje u prijenosnu RNK) provodi se aminoacil-tRNA sintetazom. Ovaj enzim istovremeno obavlja 2 važne funkcije:

• katalizira stvaranje kovalentne veze između 3'-hidroksilne grupe akceptorske stabljike i aminokiseline;
• obezbeđuje princip selektivnog podudaranja.

Svaki od njih ima svoju aminoacil-tRNA sintetazu. Može komunicirati samo s odgovarajućom vrstom transportnog molekula. To znači da antikodon potonjeg mora biti komplementaran tripletu koji kodira ovu konkretnu aminokiselinu. Na primjer, leucin sintetaza će se vezati samo za leucin ciljanu tRNA.

Molekul aminoacil-tRNA sintetaze ima tri džepa za vezanje nukleotida, čija su konformacija i naboj komplementarni nukleotidima odgovarajućeg antikodona u tRNA. Dakle, enzim određuje željeni transportni molekul. Mnogo rjeđe, fragment za prepoznavanje je nukleotidna sekvenca akceptorskog stabla.

Struktura

Dušične baze u RNK mogu formirati vodikove veze između citozina i guanina, adenina i uracila, te između gvanina i uracila. Međutim, moguće su i druge interakcije, na primjer, nekoliko adenina može formirati petlju, ili petlju koja se sastoji od četiri nukleotida, u kojoj se nalazi bazni par adenin-guanin.Važna strukturna karakteristika RNK koja je razlikuje od DNK je prisustvo hidroksilne grupe na poziciji 2" riboze, što omogućava molekuli RNK da postoji u A, a ne u B konformaciji koja se najčešće primećuje u DNK. A oblik ima dubok i uski glavni žleb i plitki i široki manji žleb Druga posledica prisustva 2" hidroksilne grupe je da konformaciono plastični, odnosno delovi RNK molekula koji ne učestvuju u formiranju dvostruke spirale mogu hemijski da napadnu druge fosfatne veze i razbiju ih. “Radni” oblik jednolančanog RNA molekula, poput proteina, često ima tercijarnu strukturu. Tercijarna struktura se formira na osnovu elemenata sekundarne strukture formirane vodoničnim vezama unutar jedne molekule. Postoji nekoliko vrsta sekundarnih strukturnih elemenata - petlje, petlje i pseudočvorovi. Zbog velikog broja mogućih uparivanja baza, predviđanje sekundarne strukture RNK je mnogo teži zadatak od predviđanja sekundarne strukture proteina, ali sada postoje efikasni programi kao što je mfold.

Primjer ovisnosti funkcije RNK molekula o njihovoj sekundarnoj strukturi su interna ulazna mjesta ribosoma (IRES). IRES je struktura na 5" kraju glasničke RNK koja osigurava vezivanje ribozoma, zaobilazeći uobičajeni mehanizam za pokretanje sinteze proteina, koji zahtijeva prisustvo posebne modificirane baze (cap) na kraju 5" i faktora inicijacije proteina . IRES su prvobitno otkriveni u virusnim RNK, ali sve je više dokaza da ćelijske mRNA također koriste mehanizam inicijacije ovisan o IRES-u u uslovima stresa.

Mnoge vrste RNK, kao što su rRNA i snRNA, funkcionišu u ćelijama u obliku kompleksa sa proteinima koji se povezuju sa RNA molekulima nakon njihove sinteze ili (kod eukariota) izvoze iz jezgra u citoplazmu. Takvi RNA-proteinski kompleksi nazivaju se ribonukleoproteinski kompleksi ili ribonukleoproteini.

Poređenje sa DNK

Postoje tri glavne razlike između DNK i RNK:

DNK sadrži šećer deoksiribozu, RNK sadrži ribozu, koja ima dodatnu hidroksilnu grupu u odnosu na dezoksiribozu. Ova grupa povećava vjerovatnoću hidrolize molekule, odnosno smanjuje stabilnost molekule RNK.

Nukleotid komplementaran adeninu u RNK nije timin, kao u DNK, već je uracil nemetilirani oblik timina.

DNK postoji u obliku dvostruke spirale, koja se sastoji od dva odvojena molekula. Molekuli RNK su u prosjeku mnogo kraći i pretežno jednolančani.

Strukturna analiza biološki aktivnih RNA molekula, uključujući tRNA, rRNA, snRNA i druge molekule koje ne kodiraju proteine, pokazala je da se one ne sastoje od jedne dugačke spirale, već od brojnih kratkih spirala smještenih jedna blizu druge i koje tvore nešto slično tercijarne strukture proteina. Kao rezultat toga, RNK može katalizirati kemijske reakcije, na primjer, centar peptidil transferaze ribozoma, uključen u formiranje peptidnih veza u proteinima, sastoji se u potpunosti od RNK.

Messenger (informacijska) RNA - RNA, koja služi kao posrednik u prijenosu informacija kodiranih u DNK do ribozoma, molekularnih mašina koje sintetiziraju proteine ​​u živom organizmu. Kodirajuća sekvenca mRNA određuje sekvencu aminokiselina polipeptidnog lanca proteina. Međutim, velika većina RNK ne kodira protein. Ove nekodirajuće RNK mogu biti transkribovane iz pojedinačnih gena (npr. ribosomalne RNK) ili izvedene iz introna. Klasični, dobro proučeni tipovi nekodirajućih RNK ​​su transferne RNK ( tRNA) i rRNA, koji su uključeni u proces translacije. Postoje i klase RNK odgovorne za regulaciju gena, obradu mRNA i druge uloge. Osim toga, postoje nekodirajuće RNA molekule koje mogu katalizirati kemijske reakcije, kao što je rezanje i vezivanje molekula RNK. Po analogiji s proteinima sposobnim za katalizaciju kemijskih reakcija - enzimima (enzimima), katalitičke RNA molekule nazivaju se ribozimima.

Učestvovanje u emisiji

Informacije o sekvenci aminokiselina proteina sadržane su u mRNA. Tri uzastopna nukleotida (kodon) odgovaraju jednoj aminokiselini. U eukariotskim ćelijama, transciribirana prekursorska mRNA ili pre-mRNA se obrađuje kako bi se formirala zrela mRNA. Obrada uključuje uklanjanje sekvenci koje ne kodiraju proteine ​​(introna). Nakon toga, mRNA se izvozi iz jezgra u citoplazmu, gdje se vezuje za ribozome, koji prevode mRNA koristeći tRNA povezane s aminokiselinama.

U ćelijama bez jezgra (bakterije i arheje), ribozomi se mogu vezati za mRNA odmah nakon transkripcije dijela RNK. I kod eukariota i kod prokariota, životni ciklus mRNA završava se njenim kontroliranim uništavanjem enzimima ribonukleazama.

Transport (tRNA) su male molekule, koje se sastoje od približno 80 nukleotida, sa konzervativnom tercijarnom strukturom. Oni prenose specifične aminokiseline na mjesto sinteze peptidne veze u ribosomu. Svaka tRNA sadrži mjesto za vezivanje aminokiselina i antikodon za prepoznavanje i vezivanje za kodone mRNA. Antikodon formira vodonične veze sa kodonom, što postavlja tRNA u položaj koji olakšava formiranje peptidne veze između posljednje amino kiseline formiranog peptida i aminokiseline vezane za tRNA.

Ribosomalna RNK (rRNA) je katalitička komponenta ribozoma. Eukariotski ribozomi sadrže četiri tipa rRNA molekula: 18S, 5.8S, 28S i 5S. Tri od četiri tipa rRNA se sintetiziraju u nukleolu. U citoplazmi, ribosomske RNK se kombinuju sa ribosomskim proteinima i formiraju nukleoprotein koji se naziva ribosom. Ribosom se veže za mRNA i sintetizira protein. rRNA čini do 80% RNK koja se nalazi u citoplazmi eukariotske ćelije.

Neobična vrsta RNK koja djeluje kao tRNA i mRNA (tmRNA) nalazi se u mnogim bakterijama i plastidima. Kada se ribosom zaustavi na defektnim mRNA bez stop kodona, tmRNA vezuje mali peptid koji usmjerava protein na razgradnju.

FUNKCIJE RNK

Postoje različite vrste RNK. Messenger (informacijska) RNA - RNA, koja služi kao posrednik u prijenosu informacija kodiranih u DNK do ribozoma, molekularnih mašina koje sintetiziraju proteine ​​u živom organizmu. Transfer RNA (tRNA) i rRNA koje su uključene u proces translacije. Postoje i klase RNK odgovorne za regulaciju gena, obradu mRNA i druge uloge. Osim toga, postoje nekodirajuće RNA molekule koje mogu katalizirati kemijske reakcije, kao što je rezanje i vezivanje molekula RNK.
Da sumiramo sve gore navedeno, može se primijetiti da funkcije RNK:
- skladištenje nasljednih informacija (za neke viruse);
- učešće u procesu translacije i transkripcije (sinteza proteina);
- regulacija aktivnosti gena;
- katalizuju brojne hemijske reakcije

postoje tri tipa RNK u ćeliji

Transfer RNA (tRNA). Transfer RNA se uglavnom nalazi u citoplazmi ćelije. Funkcija je prijenos aminokiselina do ribozoma, do mjesta sinteze proteina. Od ukupnog sadržaja RNK u ćeliji, t-RNA čini oko 10%.

Ribosomalna RNK (r-RNA). Ribosomalna RNK čini bitan dio strukture ribozoma. Od ukupnog sadržaja RNK u ćeliji, r-RNA čini oko 90%.

Glasnička RNK (i-RNA) ili glasnička RNK (m-RNA). Sadrži u jezgru i citoplazmi. Njegova funkcija je prijenos informacija o strukturi proteina od DNK do mjesta sinteze proteina u ribosomima. mRNA čini otprilike 0,5-1% ukupnog RNK sadržaja ćelije.

Citoplazma ćelija sadrži tri glavna funkcionalna tipa RNK:

• glasničke RNA (mRNA), koje djeluju kao šabloni za sintezu proteina;
• ribosomalne RNK (rRNA), koje djeluju kao strukturne komponente ribozoma;
• prijenos RNK (tRNA) uključenih u translaciju (translaciju) mRNA informacija u aminokiselinsku sekvencu proteinske molekule.

Nuklearna RNK se nalazi u ćelijskom jezgru i čini 4 do 10% ukupne ćelijske RNK. Najveći dio nuklearne RNK predstavljaju prekursori ribosomalne i prijenosne RNK visoke molekularne težine. Prekursori rRNA visoke molekularne težine (28 S, 18 S i 5 S RNA) uglavnom su lokalizirani u nukleolusu.

RNA je osnovni genetski materijal u nekim životinjskim i biljnim virusima (genomska RNK). Većina RNK virusa karakterizira reverzna transkripcija njihovog RNA genoma, usmjerena reverznom transkriptazom.

Sve ribonukleinske kiseline su ribonukleotidni polimeri, povezani, kao u molekulu DNK, 3",5"-fosforodiesterskim vezama. Za razliku od DNK, koja ima dvolančanu strukturu, RNK jeste jednolančani linearni polimerni molekuli.

Struktura mRNA. mRNA je najheterogenija klasa RNK u smislu veličine i stabilnosti. Sadržaj mRNA u ćelijama je 2-6% ukupne količine RNK. mRNA se sastoje od dijelova zvanih cistroni koji određuju redoslijed aminokiselina u proteinima koje kodiraju.

Struktura tRNA . Transfer RNK djeluju kao posrednici (adapteri) tokom translacije mRNA. Oni čine oko 15% ukupne ćelijske RNK. Svaka od 20 proteinogenih aminokiselina ima svoju tRNA. Za neke aminokiseline kodirane sa dva ili više kodona, postoji nekoliko tRNA. tRNA su relativno mali jednolančani molekuli koji se sastoje od 70-93 nukleotida. Njihova molekulska težina je (2,4-3,1).104 kDa.

Sekundarna struktura tRNA nastaje zbog stvaranja maksimalnog broja vodikovih veza između intramolekularnih komplementarnih parova azotnih baza. Kao rezultat formiranja ovih veza, polinukleotidni lanac tRNA se uvija i formira spiralne grane koje završavaju petljama nesparenih nukleotida. Prostorni prikaz sekundarnih struktura svih tRNA ima oblik list djeteline.

U "listu djeteline" postoje četiri potrebne grane, duže tRNA također sadrže kratka peta (dodatna) grana. Adaptersku funkciju tRNA obezbjeđuje akceptorska grana, na čiji je kraj 3" aminokiselinski ostatak vezan esterskom vezom, i antikodonska grana koja se nalazi nasuprot akceptorskoj grani, na čijem vrhu se nalazi petlja koja sadrži Antikodon je specifičan triplet nukleotida koji je komplementaran u antiparalelnom smjeru kodonu mRNA, koji kodira odgovarajuću aminokiselinu.

T-grana, koja nosi pseudouridinsku petlju (TyC-petlja), osigurava interakciju tRNA sa ribosomima.

D-grana, koja nosi dehidrouridinsku petlju, osigurava interakciju tRNA sa odgovarajućom aminoacil-tRNA sintetazom.

Sekundarna struktura tRNA

Funkcije pete dodatne grane do sada su malo proučavane, najvjerovatnije izjednačava dužinu različitih tRNA molekula.

Tercijarna struktura tRNA vrlo kompaktan i formiran je spajanjem pojedinačnih grana lista djeteline zbog dodatnih vodikovih veza kako bi se formirala struktura u obliku slova L "pregib lakta". U ovom slučaju, krak akceptora koji vezuje aminokiselinu nalazi se na jednom kraju molekule, a antikodon na drugom.

Tercijarna struktura tRNA (prema A.S. Spirinu)

Struktura rRNA i ribozoma . Ribosomalne RNK formiraju skelu za koju se specifični proteini vezuju da bi formirali ribozome. Ribosomi- To su nukleoproteinske organele koje obezbeđuju sintezu proteina na mRNA. Broj ribozoma u ćeliji je veoma velik: od 104 kod prokariota do 106 kod eukariota. Ribosomi su uglavnom lokalizirani u citoplazmi, kod eukariota, osim toga, u nukleolu, u mitohondrijskom matriksu i stromi hloroplasta. Ribosomi se sastoje od dvije podjedinice: velike i male. Na osnovu veličine i molekularne težine, svi proučavani ribozomi su podijeljeni u 3 grupe - 70S ribozomi prokariota (S-koeficijent sedimentacije), koji se sastoje od malih 30S i velikih 50S subčestica; 80S ribozomi eukariota, koji se sastoje od 40S malih i 60S velikih podjedinica.

Mala podčestica Ribosom 80S formiran je od jedne rRNA molekule (18S) i 33 molekula različitih proteina. Velika podčestica formirana od tri rRNA molekula (5S, 5.8S i 28S) i otprilike 50 proteina.

Sekundarna struktura rRNA nastaje usled kratkih dvolančanih delova molekula - ukosnica (oko 2/3 rRNA), 1/3 je zastupljena jednolančane sekcije, bogat purinskim nukleotidima.

TO nukleinske kiseline uključuju visokopolimerna jedinjenja koja se tokom hidrolize raspadaju na purinske i pirimidinske baze, pentozu i fosfornu kiselinu. Nukleinske kiseline sadrže ugljik, vodonik, fosfor, kisik i dušik. Postoje dvije klase nukleinskih kiselina: ribonukleinske kiseline (RNA) I dezoksiribonukleinske kiseline (DNK).

Struktura i funkcije DNK

DNK- polimer čiji su monomeri deoksiribonukleotidi. Model prostorne strukture molekule DNK u obliku dvostruke spirale predložili su 1953. J. Watson i F. Crick (za izgradnju ovog modela koristili su rad M. Wilkinsa, R. Franklina, E. Chargaffa ).

DNK molekula formirana od dva polinukleotidna lanca, spiralno uvijena jedan oko drugog i zajedno oko zamišljene ose, tj. je dvostruka spirala (s izuzetkom da neki virusi koji sadrže DNK imaju jednolančanu DNK). Promjer dvostruke spirale DNK je 2 nm, udaljenost između susjednih nukleotida je 0,34 nm, a po okretu spirale ima 10 parova nukleotida. Dužina molekula može doseći nekoliko centimetara. Molekularna težina - desetine i stotine miliona. Ukupna dužina DNK u jezgru ljudske ćelije je oko 2 m. U eukariotskim ćelijama DNK formira komplekse sa proteinima i ima specifičnu prostornu konformaciju.

DNK monomer - nukleotid (deoksiribonukleotid)- sastoji se od ostataka tri supstance: 1) azotne baze, 2) monosaharida sa pet ugljenika (pentoze) i 3) fosforne kiseline. Dušične baze nukleinskih kiselina pripadaju klasama pirimidina i purina. DNK pirimidinske baze(imaju jedan prsten u svojoj molekuli) - timin, citozin. Purinske baze(imaju dva prstena) - adenin i gvanin.

DNK nukleotid monosaharid je deoksiriboza.

Ime nukleotida izvedeno je iz imena odgovarajuće baze. Nukleotidi i azotne baze su označeni velikim slovima.

Polinukleotidni lanac nastaje kao rezultat reakcija kondenzacije nukleotida. U ovom slučaju, između 3"-ugljika ostatka deoksiriboze jednog nukleotida i ostatka fosforne kiseline drugog, fosfoesterska veza(spada u kategoriju jakih kovalentnih veza). Jedan kraj polinukleotidnog lanca završava ugljenikom od 5" (koji se naziva kraj od 5"), drugi završava ugljenikom od 3" (3" kraj).

Nasuprot jednom lancu nukleotida nalazi se drugi lanac. Raspored nukleotida u ova dva lanca nije slučajan, već je strogo definisan: timin se uvek nalazi nasuprot adenina jednog lanca u drugom lancu, a citozin se uvek nalazi nasuprot gvanina, između adenina i timina nastaju dve vodikove veze, a tri vodonične veze nastaju između gvanina i citozina. Obrazac prema kojem su nukleotidi različitih DNK lanaca strogo uređeni (adenin - timin, gvanin - citozin) i selektivno se međusobno povezuju naziva se princip komplementarnosti. Treba napomenuti da su J. Watson i F. Crick shvatili princip komplementarnosti nakon što su se upoznali sa radovima E. Chargaffa. E. Chargaff, proučavajući ogroman broj uzoraka tkiva i organa različitih organizama, otkrio je da u bilo kojem fragmentu DNK sadržaj ostataka gvanina uvijek tačno odgovara sadržaju citozina, a adenina timinu ( "Chargaffovo pravilo"), ali tu činjenicu nije mogao objasniti.

Iz principa komplementarnosti slijedi da nukleotidni niz jednog lanca određuje nukleotidni niz drugog.

DNK lanci su antiparalelni (višesmjerni), tj. nukleotidi različitih lanaca nalaze se u suprotnim smjerovima, i, stoga, nasuprot 3" kraja jednog lanca nalazi se 5" kraj drugog. Molekul DNK se ponekad upoređuje sa spiralnim stepenicama. „Ograda“ ovog stepeništa je šećerno-fosfatna kičma (naizmjenični ostaci dezoksiriboze i fosforne kiseline); “stepenice” su komplementarne azotne baze.

Funkcija DNK- čuvanje i prenošenje nasljednih informacija.

DNK replikacija (reduplikacija)

- proces samoumnožavanja, glavno svojstvo molekula DNK. Replikacija spada u kategoriju reakcija sinteze matriksa i odvija se uz učešće enzima. Pod dejstvom enzima molekula DNK se odmotava, a oko svakog lanca se gradi novi lanac koji deluje kao šablon, po principima komplementarnosti i antiparalelnosti. Dakle, u svakoj ćerki DNK, jedan lanac je majčinski lanac, a drugi je novosintetizovan. Ova metoda sinteze se zove polukonzervativan.

“Građevinski materijal” i izvor energije za replikaciju su deoksiribonukleozid trifosfati(ATP, TTP, GTP, CTP) koji sadrži tri ostatka fosforne kiseline. Kada se deoksiribonukleozid trifosfati ugrade u polinukleotidni lanac, dva terminalna ostatka fosforne kiseline se odcjepljuju, a oslobođena energija se koristi za formiranje fosfodiestarske veze između nukleotida.

U replikaciji su uključeni sljedeći enzimi:

1. helikaze („odmotavanje“ DNK);
2. destabilizirajući proteini;
3. DNK topoizomeraze (isječena DNK);
4. DNK polimeraze (odabrati deoksiribonukleozid trifosfate i komplementarno ih vezati za lanac DNK šablona);
5. RNA primaze (formiraju RNA prajmere);
6. DNK ligaze (povezuju fragmente DNK zajedno).

Uz pomoć helikaza, DNK se raspliće u određenim dijelovima, jednolančani dijelovi DNK su vezani destabilizirajućim proteinima, a viljuška za replikaciju. Sa divergencijom od 10 parova nukleotida (jedan okret spirale), molekul DNK mora napraviti punu revoluciju oko svoje ose. Da bi sprečila ovu rotaciju, DNK topoizomeraza preseca jedan lanac DNK, dozvoljavajući mu da se rotira oko drugog lanca.

DNK polimeraza može vezati nukleotid samo za 3" ugljik deoksiriboze prethodnog nukleotida, stoga se ovaj enzim može kretati duž DNK šablona u samo jednom smjeru: od 3" kraja do 5" kraja ovog šablonskog DNK. Pošto su u matičnoj DNK lanci antiparalelni, onda se na njenim različitim lancima sklapanje ćerki polinukleotidnih lanaca odvija različito iu suprotnim smerovima. Na lancu 3"-5", sinteza ćerki polinukleotidnog lanca teče bez prekida; ova ćerka lanac će biti pozvan vodeći. Na lancu od 5"-3" - povremeno, u fragmentima ( fragmenti Okazakija), koji se, nakon završetka replikacije, spajaju u jedan lanac pomoću DNK ligaza; ovaj podređeni lanac će biti pozvan zaostajanje (zaostaje).

Posebnost DNK polimeraze je da ona može započeti svoj rad samo sa "sjemenke" (prajmer). Ulogu “prajmera” obavljaju kratke RNA sekvence formirane od enzima RNA primaze i uparene sa šablonom DNK. RNA prajmeri se uklanjaju nakon završetka sastavljanja polinukleotidnih lanaca.

Replikacija se odvija slično kod prokariota i eukariota. Stopa sinteze DNK kod prokariota je red veličine veća (1000 nukleotida u sekundi) nego kod eukariota (100 nukleotida u sekundi). Replikacija počinje istovremeno u nekoliko dijelova molekule DNK. Fragment DNK od jednog izvora replikacije do drugog formira jedinicu replikacije - replicon.

Replikacija se događa prije diobe ćelije. Zahvaljujući ovoj sposobnosti DNK, nasljedne informacije se prenose sa ćelije majke na ćelije kćeri.

Popravka ("popravka")

Reparacije je proces eliminacije oštećenja nukleotidne sekvence DNK. Izvodi se posebnim enzimskim sistemima ćelije ( popravljaju enzime). U procesu obnavljanja strukture DNK mogu se razlikovati sljedeće faze: 1) nukleaze za popravku DNK prepoznaju i uklanjaju oštećeno područje, uslijed čega nastaje praznina u lancu DNK; 2) DNK polimeraza popunjava ovu prazninu, kopirajući informacije iz drugog (“dobrog”) lanca; 3) DNK ligaza "poprečno povezuje" nukleotide, dovršavajući popravku.

Najviše su proučavana tri mehanizma popravka: 1) fotoreparacija, 2) eksciziona, ili pre-replikacijska popravka, 3) post-replikacijska popravka.

Promjene u strukturi DNK nastaju u ćeliji konstantno pod uticajem reaktivnih metabolita, ultraljubičastog zračenja, teških metala i njihovih soli itd. Zbog toga defekti sistema popravke povećavaju brzinu mutacijskih procesa i uzrokuju nasljedne bolesti (xeroderma pigmentosum, progerija, itd.). itd.).

Struktura i funkcije RNK

- polimer čiji su monomeri ribonukleotidi. Za razliku od DNK, RNK se ne formira od dva, već od jednog polinukleotidnog lanca (s izuzetkom da neki virusi koji sadrže RNK imaju dvolančanu RNK). RNA nukleotidi su sposobni da formiraju vodonične veze jedni s drugima. RNK lanci su mnogo kraći od lanaca DNK.

RNA monomer - nukleotid (ribonukleotid)- sastoji se od ostataka tri supstance: 1) azotne baze, 2) monosaharida sa pet ugljenika (pentoze) i 3) fosforne kiseline. Azotne baze RNK takođe pripadaju klasama pirimidina i purina.

Pirimidinske baze RNK su uracil i citozin, a purinske baze su adenin i gvanin. RNA nukleotidni monosaharid je riboza.

Istaknite tri vrste RNK: 1) informativni(messenger) RNA - mRNA (mRNA), 2) transport RNA - tRNA, 3) ribosomalni RNA - rRNA.

Sve vrste RNK su nerazgranati polinukleotidi, imaju specifičnu prostornu konformaciju i učestvuju u procesima sinteze proteina. Informacije o strukturi svih vrsta RNK pohranjene su u DNK. Proces sinteze RNK na DNK šablonu naziva se transkripcija.

Transfer RNA obično sadrže 76 (od 75 do 95) nukleotida; molekulska težina - 25 000-30 000. tRNA čini oko 10% ukupnog sadržaja RNK u ćeliji. Funkcije tRNA: 1) transport aminokiselina do mesta sinteze proteina, do ribozoma, 2) translacioni posrednik. U ćeliji se nalazi oko 40 tipova tRNA, a svaka od njih ima jedinstvenu sekvencu nukleotida. Međutim, sve tRNA imaju nekoliko intramolekularnih komplementarnih regiona, zbog čega tRNA dobijaju konformaciju nalik na list djeteline. Svaka tRNA ima petlju za kontakt sa ribozomom (1), petlju antikodona (2), petlju za kontakt sa enzimom (3), akceptorsku stabljiku (4) i antikodon (5). Aminokiselina se dodaje na 3" kraj akceptorske stabljike. Anticodon- tri nukleotida koji "identifikuju" kodon mRNA. Treba naglasiti da specifična tRNA može transportirati striktno definiranu aminokiselinu koja odgovara njenom antikodonu. Specifičnost veze između aminokiseline i tRNA postiže se zahvaljujući svojstvima enzima aminoacil-tRNA sintetaze.

Ribosomalna RNA sadrže 3000-5000 nukleotida; molekulska težina - 1 000 000-1 500 000. rRNA čini 80-85% ukupnog sadržaja RNK u ćeliji. U kompleksu sa ribosomskim proteinima, rRNA formira ribozome - organele koje provode sintezu proteina. U eukariotskim ćelijama, sinteza rRNA se odvija u jezgrama. Funkcije rRNA: 1) neophodna strukturna komponenta ribozoma i time osigurava funkcionisanje ribozoma; 2) obezbeđivanje interakcije ribozoma i tRNK; 3) početno vezivanje ribozoma i inicijatorskog kodona mRNK i određivanje okvira čitanja, 4) formiranje aktivnog centra ribozoma.

Messenger RNA varirao u sadržaju nukleotida i molekularnoj težini (od 50.000 do 4.000.000). mRNA čini do 5% ukupnog sadržaja RNK u ćeliji. Funkcije mRNA: 1) prenos genetske informacije sa DNK na ribozome, 2) matrica za sintezu proteinskog molekula, 3) određivanje aminokiselinske sekvence primarne strukture proteinskog molekula.

Struktura i funkcije ATP-a

Adenozin trifosforna kiselina (ATP)- univerzalni izvor i glavni akumulator energije u živim ćelijama. ATP se nalazi u svim biljnim i životinjskim ćelijama. Količina ATP-a je u prosjeku 0,04% (od vlažne težine ćelije), najveća količina ATP-a (0,2-0,5%) nalazi se u skeletnim mišićima.

ATP se sastoji od ostataka: 1) azotne baze (adenin), 2) monosaharida (riboza), 3) tri fosforne kiseline. Pošto ATP ne sadrži jedan, već tri ostatka fosforne kiseline, on pripada ribonukleozid trifosfatima.

Većina posla koji se dešava u ćelijama koristi energiju hidrolize ATP-a. U ovom slučaju, kada se eliminiše terminalni ostatak fosforne kiseline, ATP se transformiše u ADP (adenozin difosforna kiselina), a kada se eliminiše drugi ostatak fosforne kiseline, pretvara se u AMP (adenozin monofosforna kiselina). Prinos slobodne energije nakon eliminacije i terminalnog i drugog ostatka fosforne kiseline je 30,6 kJ. Eliminacija treće fosfatne grupe je praćena oslobađanjem samo 13,8 kJ. Veze između terminala i drugog, drugog i prvog ostataka fosforne kiseline nazivaju se visokoenergetske (visokoenergetske).

Rezerve ATP-a se stalno popunjavaju. U ćelijama svih organizama do sinteze ATP-a dolazi u procesu fosforilacije, tj. dodavanje fosforne kiseline u ADP. Fosforilacija se javlja različitim intenzitetom tokom disanja (mitohondrije), glikolize (citoplazma) i fotosinteze (hloroplasti).

ATP je glavna veza između procesa praćenih oslobađanjem i akumulacijom energije i procesa koji se odvijaju uz potrošnju energije. Osim toga, ATP, zajedno sa drugim ribonukleozid trifosfatima (GTP, CTP, UTP), je supstrat za sintezu RNK.

Idi predavanja br. 3„Struktura i funkcije proteina. enzimi"

Idi predavanja br. 5„Ćelijska teorija. Vrste ćelijske organizacije"