Химический состав клетки: матричные биокиборги
Клетка представляет собой сложную биологическую систему, в которой имеется целый ряд органических и неорганических веществ. Макро- и микроэлементы, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, АТФ – все эти компоненты играют важную роль в функционировании клетки и организма человека.
Генетическая информация и матричный синтез
Генетическая информация в клетке закодирована в генах, содержащих генетический код. Матричный характер реакций биосинтеза позволяет клетке синтезировать белки и нуклеиновые кислоты.
История открытия нуклеиновых кислот
В 1868-1869 годах швейцарский ученый Мишер открыл в ядрах клеток гноя вещества, названные им нуклеинами. В 1889 году немецкий ученый Альтман установил кислотный характер этих соединений, и их назвали нуклеиновыми кислотами.
Строение и функции нуклеиновых кислот
Нуклеиновые кислоты состоят из мономеров – нуклеотидов. Каждый нуклеотид содержит фосфатную группу, пятиуглеродный сахар и азотистое основание. Они играют важную роль в клетке, участвуя в реакциях матричного синтеза.
Структура молекулы ДНК
Дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, является биополимером, состоящим из нуклеотидов. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, соединенных друг с другом. Она содержит пуриновые (аденин, гуанин) и пиримидиновые (цитозин, тимин, урацил) азотистые основания.
В итоге, химический состав клетки и особенности матричных процессов играют ключевую роль в жизнедеятельности клеток и организма в целом. Нуклеиновые кислоты, в частности ДНК, представляют собой важные биомолекулы, отвечающие за передачу и хранение генетической информации.
Структура ДНК: ключевые аспекты
Структура каждой молекулы ДНК строго индивидуальна и специфична, так как представляет собой кодовую форму записи биологической информации. Другими словами, с помощью четырех типов нуклеотидов в ДНК записана вся важная информация об организме, передающаяся по наследству последующим поколениям.
Молекулы ДНК в основном находятся в ядрах клеток, но небольшое количество содержится также в митохондриях и пластидах.
Уровни организации ДНК
Мономер ДНК: дезоксинуклеотид. В цепи нуклеотиды связаны ковалентной связью между фосфорным остатком одного нуклеотида и 3ОНгруппой дезоксирибозы другого нуклеотида.
Двойная спираль: Представлена двойной спиралью полинуклеотидных цепей, правозакрученными друг относительно друга. Сахарофосфатный остов снаружи, азотистые основания внутри спирали.
Важные измерения: Расстояние между витками – 3,4 нм, 10 нуклеотидов в одном витке, расстояние между ними – 0,34 нм.
Избирательное соединение: Последовательность оснований в одной цепи определяет последовательность в другой.
Правила для количества нуклеотидов
- Аденин = Тимин
- Гуанин = Цитозин
- Аденин + Гуанин = Цитозин + Тимин
- Отношения различаются у разных видов организмов.
Хромосомы и нуклеосомы
Хроматин: Хроматин представляет собой структурную единицу хромосомы, нуклеосома, состоящая из 8 молекул белков-гистонов и двухцепочечной нити ДНК. Диаметр нуклеосомы составляет 10 нм.
Длина ДНК в хромосомах: Общая длина ДНК в 23 парах хромосом человека составляет примерно 1,5 метра.
Структура ДНК является фундаментальной для всех процессов жизни нашего организма. Понимание ее уровней и ключевых аспектов поможет вам глубже вникнуть в тайны биологии и генетики.
Репликация ДНК и строение молекулы РНК
Такие нити хроматина – молекулы белка, тщательно упакованные белками – можно наблюдать в световой микроскоп во время деления клеток в виде хорошо окрашивающихся компактных вытянутых телец – хромосом.
Репликация ДНК
Хранение и передача наследственной (генетической) информации от одного поколения к другому. Они содержат информацию о первичной структуре белка. Процесс самоудвоения является главным свойством молекулы ДНК. Репликация относится к категории реакций, идет с участием ферментов.
Под действием ферментов молекула ДНК раскручивается около каждой цепи, выступающей в роли матрицы, по принципам комплементарности антипараллельности достраивается новая цепь. В каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая — вновь синтезированной. Способ синтеза называется полуконсервативным, а источником энергии для репликации являются дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (dATP, dTTP, dGTP, dCTP), содержащие три остатка фосфорной кислоты.
Участники репликации ДНК
- Геликазы – расплетают ДНК
- ДНКтопоизомеразы – разрезают ДНК
- ДНКполимеразы – подбирают дезоксирибонуклеотиды и комплементарно присоединяют их к матричной цепи ДНК
- РНКпраймазы – образуют РНКзатравки, праймеры
- ДНКлигазы – сшивают фрагменты ДНК
Строение молекулы РНК
Молекула РНК – полимер, состоящий из цепочки значительно меньших размеров (73 – нуклеотидов) и меньшей молекулярной массы. Мономерами РНК являются нуклеотиды, состоящие из рибозы, остатка фосфорной кислоты и одного из четырех азотистых оснований. Три азотистых основания – А, У, Г – такие же, как и у ДНК, а четвертым является Ц.
Образование полимера РНК происходит так же, как и у ДНК, через ковалентные связи между рибозой и остатком фосфорной кислоты соседних нуклеотидов. Двухцепочечные РНК – хранители генетической информации у ретровирусов, т.е. выполняют функцию хромосом. Каждая цепь ДНК имеет определенную ориентацию один конец несет остаток ортофосфорной кислоты, соединяющейся с 5’ углеродом дезоксирибозы, а второй – ОН группу, соединенную с 3’ углеродом. Цепи в молекуле ДНК расположены антипараллельно одна от 3’ к ’ концу, а вторая (комплементарная ей) от 5’ к 3’ концу. Синтез новой цепи начинается с 5’ конца, новые нуклеотиды присоединяются всегда к 3’ концевому нуклеотиду. Т.е. фермент ДНКполимераза может двигаться вдоль цепи лишь в одном направлении от их 3’ концов к 5’ концам синтез новых цепей идет антипараллельно. Чтобы новые нити ДНК могли образоваться, материнские цепи должны быть полностью раскручены и вытянуты, что невозможно, поэтому репликация начинается одновременно в нескольких местах.
Структура и функции различных типов РНК в клетке
Одноцепочечные РНК переносят информацию о последовательности аминокислот в белках, т.е. структуре белков, от хромосом к месту их синтеза и участвуют в синтезе белков.
Молекулы РНК находятся в ядре, цитоплазме, рибосомах, митохондриях и пластидах клетки. Все типы РНК, за исключением генетической РНК вирусов, не способны к самоудвоению и самосборке.
Рибосомная РНК (р-РНК)
- Синтезируются в основном в ядрышке
- Входят в состав рибосом, выполняя роль на котором крепятся полипептиды в строго определенном порядке
- Участвуют в формировании активного центра рибосомы, где происходит процесс биосинтеза белка
- Процентное содержание от общего количества РНК – 4500 нуклеотидов
Транспортная РНК (тРНК)
- Присоединяет определенную аминокислоту и транспортирует ее к месту сборки полипептида в рибосоме
- Образуют вторичную структуру, по форме напоминающую верхушку клеверного листа
- Кодирующие аминокислоты триплеты – ДНК – передаются в виде информации триплетов (кодонов) иРНК
- Процентное содержание от общего количества РНК – 100 нуклеотидов
Информационная РНК (и-РНК)
- Синтезируются на участке одной из цепей молекулы ДНК и передают информацию о структуре белка из ядра клеток к рибосомам
- Длина зависит от объема копируемой информации и может быть различной
- Процентное содержание от общего количества РНК – 3000 нуклеотидов
Антикодон
- Триплет нуклеотидов, распознающие нужный кодон иРНК
- Конкретная тРНК может транспортировать строго определенную аминокислоту, соответствующую ее антикодону – специфичность соединения аминокислоты и тРНК
Ассоциативная структура генетической информации в клетке
(на примере поваренной книги)
- Экзоны – участки гена, несущие информацию о строении полипептида
- Интроны – участки гена, не несущие информацию о строении полипептида
- Транскрипция – процесс синтеза РНК по матрице ДНК. Происходит в ядре, митохондриях и хлоропластах у эукариот, у прокариот –
- Информация о структуре белка, заключенная в ДНК, переписывается на информационную РНК (мРНК)
Итак, различные виды РНК выполняют различные функции в клетке, обеспечивая синтез белков и передачу генетической информации от ДНК к рибосомам. Каждый тип РНК играет свою уникальную роль в жизненных процессах клетки.
— участок гена представляет собой особое сочетание нуклеотидовк которому присоединяется фермент РНКполимераза
Процессинг (от англ. processing — обработка) — совокупность реакций, ведущих к превращению первичных неактивных транскриптов (пре-РНК) в функционирующие молекулы (иРНК, тРНК, рРНК).
Этапы (фазы) транскрипции
— начало синтеза РНК. Во время этой стадии фермент РНКполимераза
прикрепляется к промотору – опознавательному участку в начале матричной цепи ДНК;
— синтез молекулы РНК по правилу комплементарности;
— завершение синтеза РНКотделение от матричной цепи ДНК. В результате у эукариот образуется преРНК, а у прокариот — зрелая РНК.
Ген – участок молекулы ДНК, кодирующий первичную последовательность аминокислот в полипептиде.
Промотор — участок гена (представляет собой особое сочетание нуклеотидов), к которому присоединяется фермент РНК-полимераза.
Послеобразования преиРНК начинается
(созревание) РНК. При этом из молекулы РНК удаляются интронные участки с последующим соединением экзонных участков – из молекулы РНК
удаляются интронные участки (не несущие информацию о структуре белка) с последующим соединением экзонных участков
Широко распространенными являются соединения (высокоэнергетические соединения, содержащие богатые энергией, или макроэргические, связи), а среди последних – аденозинтрифосфат (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
азотистого основания (аденина),
АТФ содержит не один, а три остатка фосфорной кислоты, поэтому она относится к
АТФ – универсальный хранитель и переносчик энергии в клетке.
При отделении одного остатка фосфорной кислоты АТФ переходит в если отделяется еще один остаток фосфорной кислоты (что бывает крайне редко), то АДФ переходит в При отделении третьего и второго остатков фосфорной кислоты освобождается большое количество энергии – до 40 кДж – связь между этими остатками фосфорной кислоты называют (она обозначается символом «»). Связь между рибозой и первым остатком фосфорной кислоты макроэргической не является, и при ее расщеплении выделяется всего около 14 кДж энергии.
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.
Макроэргические (высокоэнергетические) соединения могут образовываться и на основе других нуклеотидов. Например, гуанозинтрифосфат (ГТФ) играет важную роль в ряде биохимических процессов, однако АТФ является наиболее распространенным и универсальным источником энергии для большинства биохимических реакций, протекающих в клетке. АТФ содержится в цитоплазме, митохондриях, пластидах и ядрах. Главным образов в митохондриях в процессе клеточного дыхания
Соседние файлы в папке Биология
Что такое РНК?
РНК, или рибонуклеиновая кислота, представляет собой молекулу нуклеиновой кислоты, которая играет решающую роль в экспрессии генов и синтезе белка. Это одноцепочечная молекула, состоящая из нуклеотидов, включая аденин (А), цитозин (С), гуанин (G) и урацил (U). РНК несет генетическую информацию от ДНК и действует как матрица для производства белка в клетках. Он также участвует в различных клеточных процессах, в том числе катализирует реакции и регулирует экспрессию генов.
Разница между ДНК и РНК – ДНК против РНК
Полное имяДезоксирибонуклеиновая кислотаРибонуклеиновая кислота
ФункцияРеплицирует и хранит генетическую информациюПреобразует генетическую информацию и строит белки
СтруктураДвухцепочечная спиральОдноцепочечные, иногда образуют вторичную структуру
ДлинаБолее длинные полимерыБолее короткие полимеры
ОсновыАденин (A), тимин (T), гуанин (G), цитозин (C)Аденин (A), Гуанин (G), Цитозин (C), Урацил (U)
Пар основанийАТ, КГAU, компьютерная графика
РасположениеЯдро, часть в митохондрияхЯдрышко, цитоплазма
реактивностьБолее стабильный, менее реактивныйБолее реактивный, менее стабильный
УФ чувствительностьУязвимость к ультрафиолетовому излучениюБолее устойчив к УФ-повреждениям
РНК – определение, структура, типы, применение
Структура РНК
Структура РНК Саммери
Компоненты нуклеиновой кислоты:
Старшая школа Структура of РНК
Три основных типа РНК с их соответствующим клеточным составом приведены ниже.
Информационная РНК (мРНК)
Информационная РНК (мРНК) представляет собой одноцепочечную молекулу РНК, которая играет решающую роль в синтезе белка. Вот ключевые моменты, касающиеся мРНК:
мРНК служит важным посредником в потоке генетической информации, обеспечивая синтез белков на основе инструкций, закодированных в ДНК.
Свойства мРНК
Мессенджер РНК (мРНК) обладает несколькими важными свойствами, которые способствуют ее роли в синтезе белка и экспрессии генов. Вот некоторые ключевые свойства мРНК:
Эти свойства мРНК способствуют ее роли в качестве ключевой промежуточной молекулы в центральной догме молекулярной биологии и подчеркивают ее значение в экспрессии генов и синтезе белка.
Функция мРНК
Функция мРНК (мессенджера РНК) заключается, прежде всего, в том, чтобы служить матрицей для синтеза белка. Он переносит генетическую информацию от ДНК в ядре к рибосомам, где она транслируется в последовательность аминокислот для формирования полипептидной цепи, что в конечном итоге приводит к синтезу белков. Вот некоторые ключевые моменты о функции мРНК:
Функция мРНК в качестве матрицы для синтеза белка и ее способность модифицироваться и доставляться в клетки делают ее мощным инструментом как для понимания биологических процессов, так и для разработки новых методов лечения различных заболеваний. Недавний успех вакцин на основе мРНК подчеркивает значительный потенциал мРНК в области медицины.
РРНК (рибосомная РНК)
Рибосомная РНК (рРНК) представляет собой тип РНК, обнаруженный в рибосомах, клеточных структурах, ответственных за синтез белка. Вот некоторые ключевые моменты о рРНК:
Рибосомная РНК играет фундаментальную роль в синтезе белка, обеспечивая структурные и каталитические компоненты, необходимые для функционирования рибосомы. Его обилие и участие в сборке рибосом делают его критическим компонентом клеточных процессов, связанных с экспрессией генов и продукцией белка.
Свойства рРНК
Вот некоторые свойства рибосомной РНК (рРНК):
Рибосомальная РНК является основным компонентом рибосом и играет жизненно важную роль в синтезе белка. Ее обилие, консервация, каталитическая активность и структурные свойства делают рРНК необходимой для эффективного и точного перевода генетической информации в белки.