Основания рнк. Сравнительная характеристика молекул ДНК, РНК, АТФ. Строение молекулы рибонуклеиновой кислоты

Кандидат биологических наук С. ГРИГОРОВИЧ.

На самой ранней заре своей истории, когда человек приобрел разум, а с ним и способность к абстрактному мышлению, он стал пленником непреодолимой потребности все объяснить. Почему светят Солнце и Луна? Почему текут реки? Как устроен мир? Безусловно, одним из самых главных был вопрос о сути живого. Резкое отличие живого, растущего, от мертвого, неподвижного, слишком бросалось в глаза, чтобы его можно было проигнорировать.

Первый вирус, описанный Д. Ивановским в 1892 году, - вирус табачной мозаики. Благодаря этому открытию стало ясно, что существуют живые создания более примитивные, чем клетка.

Русский микробиолог Д. И. Ивановский (1864-1920), основоположник вирусологии.

В 1924 году А. И. Опарин (1894-1980) высказал предположение, что в атмосфере молодой Земли, состоявшей из водорода, метана, аммиака, углекислого газа и паров воды, могли синтезироваться аминокислоты, которые затем спонтанно соединились в белки.

Американский биолог Освальд Эвери убедительно продемонстрировал в опытах с бактериями, что именно нуклеиновые кислоты отвечают за передачу наследственных свойств.

Сравнительная структура РНК и ДНК.

Двумерная пространственная структура рибозима простейшего организма Tetrahymena.

Схематическое изображение рибосомы - молекулярной машины для синтеза белка.

Схема процесса "эволюции в пробирке" (селекс-метод).

Луи Пастер (1822-1895) первым обнаружил, что кристаллы одного и того же вещества - винной кислоты - могут иметь две зеркально-симметричные пространственные конфигурации.

В начале 1950-х годов Стенли Миллер из Чикагского университета (США) проделал первый эксперимент, моделирующий химические реакции, которые могли протекать в условиях молодой Земли.

Хиральные молекулы, например аминокислоты, зеркально симметричны, как левая и правая рука. Сам термин "хиральность" происходит от греческого слова "хирос" - рука.

Теория РНК-мира.

Наука и жизнь // Иллюстрации

На каждом этапе истории люди предлагали свое решение загадки появления жизни на нашей планете. Древние, не знавшие слова "наука", находили для неизвестного простое и доступное объяснение: "Все, что есть вокруг, было когда-то и кем-то создано". Так появились боги.

Со времен зарождения древних цивилизаций в Египте, Китае, затем и в колыбели современной науки - Греции, вплоть до Средних веков, основным методом познания мира служили наблюдения и мнения "авторитетов". Постоянные наблюдения однозначно свидетельствовали, что живое при соблюдении определенных условий появляется из неживого: комары и крокодилы - из болотной тины, мухи - из гниющей пищи, а мыши - из грязного белья, пересыпанного пшеницей. Важно лишь соблюсти определенную температуру и влажность.

Европейские "ученые" Средневековья, опираясь на религиозную догму о сотворении мира и непостижимости божественных замыслов, считали возможным спорить о зарождении жизни только в рамках Библии и религиозных писаний. Суть сотворенного Богом невозможно постичь, а можно лишь "уточнить", пользуясь сведениями из священных текстов или находясь под влиянием божественного вдохновения. Проверять гипотезы в то время считалось плохим тоном, и всякая попытка подвергнуть сомнению мнение святой церкви рассматривалась как дело небогоугодное, ересь и святотатство.

Познание жизни топталось на месте. Вершиной научной мысли в течение двух тысяч лет оставались достижения философов Древней Греции. Наиболее значимыми из них были Платон (428/427 - 347 гг. до н. э.) и его ученик Аристотель (384 - 322 гг. до н. э.). Платон в числе прочего предложил идею одушевления изначально неживой материи благодаря вселению в нее бессмертной нематериальной души - "психеи". Так появилась теория самозарождения живого из неживого.

Великое для науки слово "эксперимент" пришло с эпохой Возрождения. Две тысячи лет понадобились для того, чтобы человек решился усомниться в непреложности авторитетных утверждений ученых древности. Одним из первых смельчаков, известных нам, стал итальянский врач Франсиско Реди (1626 - 1698). Он провел чрезвычайно простой, но эффектный опыт: поместив в несколько сосудов по куску мяса, одни из них накрыл плотной тканью, другие - марлей, а третьи оставил открытыми. Тот факт, что личинки мух развивались только в открытых сосудах (на которые могли садиться мухи), но не в закрытых (к которым все же был доступ воздуха), резко противоречил верованиям сторонников Платона и Аристотеля о непостижимой жизненной силе, носящейся в воздухе и превращающей неживую материю в живую.

Этот и подобные ему опыты положили начало периоду ожесточенных сражений между двумя группами ученых: виталистами и механистами. Суть спора состояла в вопросе: "Может ли функционирование (и появление) живого быть объяснено физическими законами, применимы ми также и к неживой материи?" Виталисты отвечали на него отрицательно. "Клетка - только из клетки, все живое - только от живого!" Это положение, выдвинутое в середине XIX века, стало знаменем витализма. Самое парадоксальное в этом споре то, что даже сегодня, зная о "неживой" природе составляющих наш организм атомов и молекул и в общем согласившись с механистической точкой зрения, ученые не имеют экспериментального подтверждения возможности зарождения клеточной жизни из неодушевленной материи. Никому еще не удалось "составить" даже самую примитивную клетку из "неорганических", присутствующих вне живых организмов, "деталей". А значит, окончательную точку в этом эпохальном споре еще предстоит поставить.

Так как же могла возникнуть жизнь на Земле? Разделяя позиции механистов, легче всего конечно же представить, что жизнь сначала должна была возникнуть в какой-нибудь очень простой, примитивно устроенной форме. Но, несмотря на простоту строения, это все же должна быть Жизнь, то есть то, что обладает минимальным набором свойств, отличающих живое от неживого.

Каковы же они, эти критически важные для жизни свойства? Что, собственно, отличает живое от неживого?

До конца XIX века ученые были убеждены, что все живое построено из клеток, и это является самым очевидным отличием его от неживой материи. Так считали до открытия вирусов, которые, хотя и меньше всех известных клеток, могут активно заражать другие организмы, размножаться в них и производить потомство, обладающее такими же (или очень похожими) биологическими свойствами. Первый из обнаруженных вирусов, вирус табачной мозаики, описан русским ученым Дмитрием Ивановским (1864-1920) в 1892 году. С той поры стало ясно, что более примитивные создания, чем клетки, могут также претендовать на право называться Жизнью.

Открытие вирусов, а затем и еще более примитивных форм живого - вироидов позволило в итоге сформулировать минимальный набор свойств, которые необходимы и достаточны, чтобы исследуемый объект можно было назвать живым. Во-первых, он должен быть способен к воспроизводству себе подобных. Это, однако, не единственное условие. Если бы гипотетическая первородная субстанция жизни (например, примитивная клетка или молекула) была способна лишь просто производить свои точные копии, она в итоге не смогла бы выжить в меняющихся условиях окружающей среды на молодой Земле и образование других, более сложных форм (эволюция) стало бы невозможным. Следовательно, нашу предполагаемую примитивную "субстанцию первожизни" можно определить как нечто, устроенное максимально просто, но при этом способное изменяться и передавать свои свойства потомкам.

РНК - тип нуклеиновых кислот; содержатся во всех живых клетках и участвуют в двух этапах реализации генетической информации: транскрипции (синтезе РНК на ДНК) и трансляции (синтезе белков на рибосомах). Молекулы РНК, как правило, представляют собой одноцепочечные незамкнутые полинуклеотиды, построенные из мономеров - нуклеотидов (в данном случае - рибонуклеотидов). В отдельных местах цепи нуклеотиды спариваются по принципу комплементарности и образуются участки двойной спирали. Число рибонуклеотидов в молекуле может быть от нескольких десятков до десяти тысяч. В отличие от дезоксирибонуклеотидов ДНК, содержащих углевод дезоксирибозу, рибонуклеотиды содержат углевод рибозу, а вместо азотистого основания тимина - урацил. Остальные азотистые основания (аденин, гуанин и цитозин) те же, что в ДНК. Различные классы РНК выполняют в клетках разные функции, но все они синтезируются на матрице ДНК.

Рибосомальные РНК (р-РНК), составляющие основную массу всех клеточных РНК (80-90%), соединяясь с белками, формируют рибосомы , органоиды, осуществляющие синтез белков. В клетках эукариот р-РНК синтезируются в ядрышках.

Транспортные РНК (т-РНК) с помощью специального фермента связываются с аминокислотами и доставляют их на рибосомы. При этом определённые аминокислоты, как правило, переносятся определёнными («своими») т-РНК. Однако в ряде случаев одну аминокислоту могут кодировать несколько разных кодонов (вырожденностьгенетического кода ). Соответственно, каждую из таких аминокислот могут переносить две или более т-РНК.

Информационные, или матричные, РНК (и-РНК, м-РНК) составляют в клетке ок. 2% от общего количества РНК. В клетках эукариот и-РНК синтезируются в ядрах на матрицах ДНК, затем переходят в цитоплазму и связываются с рибосомами. Здесь они, в свою очередь, служат матрицами для синтеза белка на рибосомах: к и-РНК присоединяются т-РНК, несущие аминокислоты. Таким образом, и-РНК преобразуют информацию, заключённую в последовательности нуклеотидов ДНК, в последовательность аминокислот синтезируемого белка, т.е. генетическая информация реализуется в уникальной структуре белка, которая определяет его специфичность и функции. У некоторых вирусов РНК (одноцепочечная или двухцепочечная) выполняет роль хромосомы. Такие вирусы называются РНК-содержащими.

Некоторые РНК, подобно ферментам, обладают каталитической активностью. В последние годы был открыт новый класс РНК - т.н. малые РНК. Эти РНК, по-видимому, выполняют в клетках роль универсальных регуляторов, включая и выключая гены при эмбриональном развитии и контролируя внутриклеточные процессы. Полагают, что в процессе биохимической (добиологической) эволюции на Земле первоначально появились молекулы РНК, возможно даже их способные к самовоспроизведению комплексы, и лишь потом возникли более стабильные молекулы ДНК.

Таблица сравнительной характеристики ДНК и РНК

Репликация ДНК, генетический код, реализация генетической информации.

3.1. Репликация ДНК . Поскольку ДНК является молекулой наследственности, то для реализации этого свойства она должна точно копировать саму себя и таким образом сохранять имеющуюся в исходной молекуле ДНК информацию в виде определённой последовательности нуклеотидов. Это обеспечивается за счёт особого процесса, который называется репликацией или редупликацией.

Репликация - это удвоение молекулы ДНК. В основе репликации лежат правила Эдвина Чаргаффа (А+Г=Т+Ц) т.е. сумма пуриновых оснований равна сумме пиримидиновых оснований. Строгое соответствие нуклеотидов друг другу в парных цепочках ДНК называется комплементарностью (взаимодополняемостью).

Этапы репликации:

Генетический код.

Для молекулы наследственности, которой является ДНК, свойственно не только самоудвоение (репликация), но и кодирование информации с помощь определённой последовательности нуклеотидов. Известно, что ДНК состоит из четырёх видов нуклеотидов, то есть информация в ДНК записывается 4 буквами (А, Т, Г, Ц). Математические расчёты показывают, что

1. Если использовать 1 нуклеотид, то получим 4 разных сочетания, 4<20.

2. Если использовать 2 нуклеотида, то получим 16 разных сочетаний (4 2 =16), 16<20.

1. Если использовать 3 нуклеотида, то получим 64 разных сочетания (4 3 =64), 64>20.

Таким образом, комбинации из 3 нуклеотидов будет достаточно, чтобы закодировать 20 аминокислот. Из 64 возможных триплетов 61 триплет кодирует 20 незаменимых аминокислот, обнаруженных в составе клеточных белков, а 3 триплета являются стоп- сигналами или терминаторами, которые прекращают считывание информации.

Сочетания из трёх нуклеотидов, кодирующие определённые аминокислоты, называются кодом ДНК, или генетическим кодом. В настоящее время генетический код полностью расшифрован, то есть известно, какие триплетные сочетания нуклеотидов кодируют 20 аминокислот. Пользуясь комбинацией, состоящей из трёх нуклеотидов, можно закодировать больше аминокислот, чем необходимо для кодирования 20 аминокислот. Оказалось, что каждая аминокислота может кодироваться несколькими триплетами, кроме метионина и триптофана. Аминокислоты входящие в состав природных белков могут относится к разным группам, заменимые кислоты (З), незаменимые (НЗ).

Генетический код - это система записи генетической информации в ДНК в виде определённой последовательности нуклеотидов (или способ записи последовательности аминокислот в белке с помощью нуклеотидов).

Генетический код обладает несколькими свойствами (7 свойств).

Транскрипция. К рибосомам, местам синтеза белков, из ядра поступает несущий информацию посредник, способный пройти через поры ядерной оболочки. Таким посредником является информационная РНК (иРНК). Это одноцепочечная молекула, комплементарная одной нити молекулы ДНК (см. § 5). Специальный фермент - РНК-полимераза, двигаясь по ДНК, подбирает по принципу компле-ментарности нуклеотиды и соединяет их в единую цепочку (рис. 22). Процесс образования иРНК называется транскрипцией (от лат. «транскрипцио» - переписывание). Если в нити ДНК стоит тимин, то полимераза включает в цепь иРНК аденин, если стоит гуанин - включает цитозин, если в ДНК стоит аденин - включает урацил (в состав РНК не входит тимин).

Рис. 22. Схема образования иРНК по матрице ДНК

По длине каждая из молекул иРНК в сотни раз короче ДНК. Информационная РНК - копия не всей молекулы ДНК, а только части ее, одного гена или группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции. У прокариот такую группу генов называют опероном. (О том, как гены объединены в оперон и как организовано управление транскрипцией, вы прочтете в § 17.)

В начале каждой группы генов находится своего рода посадочная площадка для РНК-полимеразы - промотор. Это специфическая последовательность нуклеотидов ДНК, которую фермент «узнает» благодаря химическому сродству. Только присоединившись к промотору, РНК-полимераза способна начать синтез иРНК. В конце группы генов фермент встречает сигнал (определенную последовательность нуклеотидов), означающий конец переписывания. Готовая иРНК отходит от ДНК, покидает ядро и направляется к месту синтеза белков - рибосоме, расположенной в цитоплазме клетки.

В клетке генетическая информация передается благодаря транскрипции от ДНК к белку:

ДНК → иРНК → белок

Генетический код и его свойства. Генетическая информация, содержащаяся в ДНК и в иРНК, заключена в последовательности расположения нуклеотидов в молекулах. Каким же образом иРНК кодирует (шифрует) первичную структуру белков, т. е. порядок расположения аминокислот в них? Суть кода заключается в том, что последовательность расположения нуклеотидов в иРНК определяет последовательность расположения аминокислот в белках. Этот код называют генетическим, его расшифровка - одно из великих достижений науки. Носителем генетической информации является ДНК, но так как непосредственное участие в синтезе белка принимает иРНК - копия одной из нитей ДНК, то генетический код записан на «языке» РНК.

Код триплетен. В состав РНК входят 4 нуклеотида: А, Г, Ц, У. Если обозначить одну аминокислоту одним нуклеотидом, то можно зашифровать лишь 4 аминокислоты, тогда как их 20 и все они используются в синтезе белков. Двухбуквенный код позволил бы зашифровать 16 аминокислот (из 4 нуклеотидов можно составить 16 различных комбинаций, в каждой из которых имеется 2 нуклеотида).

В природе же существует трехбуквенный, или триплетный, код. Это означает, что каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью 3 нуклеотидов, т. е. триплетом, который получил название кодон. Из 4 нуклеотидов можно создать 64 различные комбинации, по 3 нуклеотида в каждой (4 3 =64). Этого с избытком хватает для кодирования 20 аминокислот, и, казалось бы, 44 триплета являются лишними. Однако это не так. Почти каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном (от 2 до 6). Это видно из таблицы генетического кода.

Код однозначен. Каждый триплет шифрует только одну аминокислоту. У всех здоровых людей в гене, несущем информацию об одной из цепей гемоглобина, триплет ГАА или ГАГ, стоящий на шестом месте, кодирует глутаминовую кислоту. У больных серповидноклеточной анемией второй нуклеотид в этом триплете заменен на У. Как видно из таблицы генетического кода, триплеты ГУА или ГУГ, которые в этом случае образуются, кодируют аминокислоту валин. К чему приводит такая замена, вы знаете из предыдущего параграфа.

Между генами имеются знаки препинания. Каждый ген кодирует одну полипептидную цепочку. Поскольку в ряде случаев иРНК является копией нескольких генов, они должны быть отделены друг от друга. Поэтому в генетическом коде существуют три специальных триплета (УАА, УАГ, УГА), каждый из которых обозначает прекращение синтеза одной полипептидной цепи. Таким образом эти триплеты выполняют функцию знаков препинания. Они находятся в конце каждого гена.

Код неперекрываем и внутри гена нет знаков препинания. Поскольку генетический код подобен языку, разберем это его свойство на примере такой, составленной из триплетов, фразы:

жил был кот тих был сер мил мне тот кот

Смысл написанного понятен, несмотря на отсутствие знаков препинания. Если же мы уберем в первом слове одну букву (один нуклеотид в гене), но читать будем также тройками букв, то получится бессмыслица:

илб ылк отт ихб ылс ерм илм нет отк от

Бессмыслица возникает и при выпадении одного или двух нуклеотидов из гена. Белок, который считывается с такого «испорченного» гена, не будет иметь ничего общего с тем белком, который кодировался нормальным геном. Поэтому ген в цепи ДНК имеет строго фиксированное начало считывания.

Код универсален. Код един для всех живущих на Земле существ. У бактерий и грибов, злаков и мхов, муравья и лягушки, окуня и пеликана, черепахи, лошади и человека одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты.

1. Какой принцип лежит в основе процесса синтеза иРНК?
2. Что называют генетическим кодом? Перечислите основные свойства генетического кода.
3. Объясните, почему синтез белка происходит не непосредственно по матрице ДНК, а по иРНК.
4. Используя таблицу генетического кода, нарисуйте участок ДНК, в котором закодирована информация о следующей последовательности аминокислот в белке: - аргинин - триптофан - тирозин - гистидин - фенилаланин -.

Молекулярная биология является одним из важнейших разделов биологических наук и подразумевает детализированное изучение клеток живых организмов и их составляющих. В сферу ее исследований входит множество жизненно важных процессов, таких как рождение, дыхание, рост, смерть.


Бесценным открытием молекулярной биологии стала расшифровка генетического кода высших существ и определение способности клетки хранить и передавать генетическую информацию. Основная роль в этих процессах принадлежит нуклеиновым кислотам, которых в природе различают два вида – ДНК и РНК. Что представляют собой эти макромолекулы? Из чего они состоят и какие биологические функции выполняют?

Что такое ДНК?

ДНК расшифровывается как дезоксирибонуклеиновая кислота. Она представляет собой одну из трех макромолекул клетки (две другие – белки и рибонуклеиновая кислота), которая обеспечивает сохранение и передачу генетического кода развития и деятельности организмов. Простыми словами, ДНК – носитель генетической информации. В ее составе содержится генотип индивида, который обладает способностью к самовоспроизводству и передает информацию по наследству.

Как химическое вещество кислота была выделена из клеток еще в 1860-х годах, однако вплоть до середины XX столетия никто и не предполагал, что она способна хранить и передавать информацию.


Долгое время считалось, что эти функции выполняют белки, однако в 1953 году группа биологов сумела значительно расширить понимание сути молекулы и доказать первостепенную роль ДНК в сохранении и передаче генотипа. Находка стала открытием века, а ученые получили за свою работу Нобелевскую премию.

Из чего состоит ДНК?

ДНК является крупнейшей из биологических молекул и представляет собой четыре нуклеотида, состоящих из остатка фосфорной кислоты. В структурном отношении кислота достаточно сложная. Ее нуклеотиды соединяются между собой длинными цепями, которые объединяются попарно во вторичные структуры – двойные спирали.

ДНК имеет свойство повреждаться радиацией или различными окисляющими веществами, в силу чего в молекуле происходит процесс мутации. Функционирование кислоты напрямую зависит от ее взаимодействия с еще одной молекулой – белками. Вступая с ними во взаимосвязь в клетке, она образует вещество хроматин, внутри которого осуществляется реализация информации.

Что такое РНК?

РНК – это рибонуклеиновая кислота, содержащая в себе азотистые основания и остатки фосфорных кислот.


Существует гипотеза, что она является первой молекулой, получившей способность к самовоспроизводству еще в эпоху формирования нашей планеты – в добиологических системах. РНК и сегодня входит в геномы отдельных вирусов, выполняя в них ту роль, которую у высших существ играет ДНК.

Рибонуклеиновая кислота состоит из 4-х нуклеотидов, но вместо двойной спирали, как в ДНК, ее цепочки соединяются одинарной кривой. В нуклеотидах содержится рибоза, принимающая активное участие в обмене веществ. В зависимости от способности кодировать белок РНК делятся на матричную и некодирующие.

Первая выступает своего рода посредником в передаче закодированной информации рибосомам. Вторые не могут кодировать белки, но обладают другими возможностями – трансляцией и лигированием молекул.

Чем ДНК отличается от РНК?

По своему химическому составу кислоты очень схожи друг с другом. Обе относятся к линейным полимерам и являют собой N-гликозид, созданный из остатков пятеуглеродного сахара. Разница между ними в том, что сахарный остаток РНК – это рибоза, моносахарид из группы пентоз, легко растворяющийся в воде. Сахарный остаток ДНК – это дезоксирибоза, или производная рибозы, имеющая несколько иную структуру.


В отличие от рибозы, формирующей кольцо из 4 атомов углерода и 1 атома кислорода, в дезоксирибозе второй атом углерода замещается водородом. Еще одно отличие между ДНК и РНК заключается в их размерах – более крупная. Кроме этого, среди четырех нуклеотидов, входящих в ДНК, один представляет собой азотистое основание под названием тимин, тогда как в РНК вместо тимина присутствует его разновидность – урацил.