Что такое днк и рнк человека простыми словами. почему днк

1. Історія вивчення

Регуляторная РНК

Самыми ранними известными регуляторами экспрессии генов были белки, известные как репрессоры и активаторы — регуляторы со специфическими короткими сайтами связывания в областях энхансеров рядом с регулируемыми генами. Более поздние исследования показали, что РНК также регулируют гены. Существует несколько видов РНК-зависимых процессов у эукариот, регулирующих экспрессию генов в различных точках, таких как гены, репрессирующие РНКи, посттранскрипционно , длинные некодирующие РНК , блокирующие эпигенетические блоки хроматина , и энхансерные РНК, индуцирующие повышенную экспрессию генов. Также было показано, что бактерии и археи используют системы регуляторных РНК, такие как бактериальные малые РНК и CRISPR . Файер и Мелло были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине 2006 года за открытие микроРНК (миРНК), специфических коротких молекул РНК, которые могут образовывать пары оснований с мРНК.

РНК интерференция миРНК

Уровни посттранскрипционной экспрессии многих генов можно контролировать с помощью РНК-интерференции , при которой миРНК , специфические короткие молекулы РНК, соединяются с участками мРНК и нацелены на них для деградации. Этот основанный на антисмысловой основе процесс включает этапы, на которых сначала обрабатывается РНК, чтобы она могла образовывать пару оснований с областью ее мРНК-мишени. Как только происходит спаривание оснований, другие белки направляют мРНК на разрушение нуклеазами .

Длинные некодирующие РНК

Затем с регуляцией были связаны Xist и другие длинные некодирующие РНК, связанные с инактивацией Х-хромосомы . Их роль, поначалу загадочная, как было показано Джинни Т. Ли и другими , заключалась в подавлении блоков хроматина посредством рекрутирования комплекса Polycomb, так что информационная РНК не могла быть транскрибирована с них. Дополнительные днРНК, в настоящее время определяемые как РНК из более чем 200 пар оснований, которые, по-видимому, не обладают кодирующим потенциалом, были обнаружены связанными с регуляцией плюрипотентности стволовых клеток и клеточного деления .

Энхансерные РНК

Третья основная группа регуляторных РНК называется энхансерными РНК . В настоящее время неясно, являются ли они уникальной категорией РНК различной длины или представляют собой отдельное подмножество lncRNAs. В любом случае они транскрибируются с энхансеров , которые представляют собой известные регуляторные участки в ДНК рядом с регулируемыми ими генами. Они активируют транскрипцию гена (ов) под контролем энхансера, с которого они транскрибируются.

Регуляторная РНК у прокариот

Сначала считалось, что регуляторная РНК является эукариотическим феноменом, частью объяснения того, почему у высших организмов было обнаружено гораздо больше транскрипции, чем предполагалось. Но как только исследователи начали искать возможные регуляторы РНК в бактериях, они обнаружили и там, что называется малая РНК (мРНК). В настоящее время в поддержку теории Мира РНК обсуждается повсеместная природа систем регуляции РНК генов . Бактериальные малые РНК обычно действуют посредством антисмыслового спаривания с мРНК, подавляя ее трансляцию, либо влияя на стабильность, либо влияя на цис-связывающую способность. Также были обнаружены рибовключатели . Это цис-действующие регуляторные последовательности РНК, действующие аллостерически . Они меняют форму, когда связывают метаболиты, так что они приобретают или теряют способность связывать хроматин для регулирования экспрессии генов.

У архей также есть системы регуляторных РНК. Система CRISPR, которая недавно использовалась для редактирования ДНК in situ , действует через регуляторные РНК у архей и бактерий, обеспечивая защиту от вирусных захватчиков.

Синтез

Транскрипция РНК из ДНК с участием фермента РНК-полимеразы II

Основные статьи: Транскрипция (биология), Редактирование РНК, Сплайсинг

Синтез РНК в живой клетке проводится ферментом — РНК-полимеразой. У эукариот разные типы РНК синтезируются разными, специализированными РНК-полимеразами. В целом матрицей синтеза РНК может выступать как ДНК, так и другая молекула РНК. Например, полиовирусы используют РНК-зависимую РНК-полимеразу для репликации своего генетического материала, состоящего из РНК. Но РНК-зависимый синтез РНК, который раньше считался характерным только для вирусов, происходит и в клеточных организмах, в процессе так называемой РНК-интерференции.

Как в случае ДНК-зависимой РНК-полимеразы, так и в случае РНК-зависимой РНК-полимеразы фермент присоединяется к промоторной последовательности. Вторичная структура молекулы матрицы расплетается с помощью хеликазной активности полимеразы, которая при движении субстрата в направлении от 3′ к 5′ концу молекулы синтезирует РНК в направлении 5′ → 3′. Терминатор транскрипции в исходной молекуле определяет окончание синтеза. Многие молекулы РНК синтезируются в качестве молекул-предшественников, которые подвергаются «редактированию» — удалению ненужных частей с помощью РНК-белковых комплексов.

Например, у кишечной палочки гены рРНК расположены в составе одного оперона (в rrnB порядок расположения такой: 16S — tRNAGlu₂ — 23S —5S) считываются в виде одной длинной молекулы, которая затем подвергается расщеплению в нескольких участках с образованием сначала пре-рРНК, а затем зрелых молекул рРНК. Процесс изменения нуклеотидной последовательности РНК после синтеза носит название процессинга или редактирования РНК.

После завершения транскрипции РНК часто подвергается модификациям (см. выше), которые зависят от функции, выполняемой данной молекулой. У эукариот процесс «созревания» РНК, то есть её подготовки к синтезу белка, часто включает сплайсинг: удаление некодирующих белок последовательностей (интронов) с помощью рибонуклеопротеида сплайсосомы. Затем к 5′ концу молекулы пре-мРНК эукариот добавляется особый модифицированный нуклеотид (кэп), а к 3′ концу несколько аденинов, так называемый «полиА-хвост».

Биологическое значение

Молекулы РНК могут выполнять разные функции. РНК может передавать генетическую информацию. Другие молекулы РНК помогают переводить эту информацию в белки и регулировать гены . Кроме того, РНК также может выполнять каталитические функции, подобные ферменту . Поэтому РНК получают разные названия в зависимости от ее функции. Предшествующие строчные буквы указывают на различные типы РНК:

• МРНК , мессенджер РНК (Engl. Матричная РНК ) копирует информацию в гене , лежащий на ДНК и передает его на рибосомы , где с помощью этой информации, синтез белка может иметь место. В каждом случае три нуклеотида, лежащие рядом друг с другом в рамке считывания полинуклеотидной цепи, образуют кодон, с помощью которого можно четко определить конкретную аминокислоту, которая должна быть включена в белок . Эта связь была обнаружена в 1961 году Генрихом Маттеи и Маршаллом Уорреном Ниренбергом . Расшифровка генетического кода знаменует собой новое начало почти во всех биологических науках.
• Модифицированная нуклеозидами мРНК представляет собой синтетическую химически модифицированную рибонуклеиновую кислоту (мРНК), в которой отдельные нуклеозиды заменены другими естественно модифицированными нуклеозидами или синтетическими аналогами нуклеозидов. Он используется экспериментально или терапевтически.

Следующие классы РНК обычно называют некодирующими рибонуклеиновыми кислотами .

• АсРНК , антисмысловый РНК , используются для регулирования экспрессии генов .
• CircRNA , круговая РНК, участвует в регуляции путем связывания с миРНК.
• HnRNA , гетерогенная ядерная РНК происходит в ядре клеток эукариот и является предшественником зрелой мРНК, поэтому он часто упоминается как пре-мРНК (или пре-мРНК для мРНК предшественника).
• В микроРНК , микроРНК тесно связаны с киРНК и используются для регулирования клеточных процессов , таких. Б. Пролиферация и гибель клеток.
• В riboswitches используется для регуляции генов . Они могут иметь как активирующий, так и репрессивный эффект.
• В рибозимы являются каталитически активные молекулы РНК. Подобно ферментам, они катализируют химические реакции.
• РРНК , рибосомальный РНК , как и тРНК, не несет никакой генетической информации, но участвует в строительстве рибосомы и является также каталитический активной в образовании пептидной связи .
• Särna , само-ammuffling РНК , используют в вакцинах РНК продлить продолжительность действия.
• МиРНК , малых интерферирующих РНК , возникает из пути прохождения сигнала клетки, который кратко , как RNAi (РНК — интерференции). Здесь дцРНК (двухцепочечная РНК; английская двухцепочечная РНК) разбита на множество более мелких фрагментов длиной примерно 22 нуклеотида ферментом Dicer ( миРНК ) и включена в ферментный комплекс RISC ( комплекс РНК-индуцированного сайленсинга). ). С помощью встроенных фрагментов РНК RISC комплементарно связывается с ДНК, например B. участки генов, или мРНК, и могут их «выключать». siRNA в настоящее время (2006 г.) интенсивно исследуются на предмет их участия в различных клеточных процессах и заболеваниях.
• ShRNA используется для RNAi.
• SnoRNA , небольшой ядрышек РНК , можно найти в ядрышко , и тесно связанные с scaRNAs в органах Cajal .
• МяРНК , малая ядерная РНК в ядре эукариот отвечает за сращивания hnRNA на сплайсосома .
• LncRNA , длинные некодирующие РНК , длиннее , чем 200 нуклеотидов и , таким образом , отличаются от малых регуляторных РНК , таких как микроРНК и миРНК.
• ПиРНК , Piwi взаимодействующего РНК , являются 26-31 нуклеотидов в длине и , таким образом , отличаются от нескольких меньшего микроРНКа и миРНКа. Они образуют комплексы с белками PIWI, которые участвуют в эпигенетическом и посттранскрипционном молчании в половых клетках.
• ТРНК , перенос РНК , не кодирует какой — либо генетической информации, но служит в качестве вспомогательной молекулы в белка синтеза , поднимая одну аминокислоту из цитоплазмы и транспортировки его к рибосоме. ТРНК кодируется определенным геном РНК .
• TracrRNA , который играет важную роль в CRISPR / cas9 системы.

У большинства живых существ РНК играет подчиненную роль ДНК как носителя информации: здесь ДНК является постоянным носителем генетической информации, а РНК служит временным хранилищем. Только РНК-вирусы (большинство всех вирусов) используют РНК вместо ДНК в качестве постоянного носителя для хранения. Для таксономии вирусов различают следующие типы РНК:

* дцРНК : двухцепочечная РНК;

* ss (+) РНК : одноцепочечная РНК, используемая в качестве мРНК;

* ss (-) РНК : одноцепочечная РНК, которая служит матрицей для продукции мРНК.

Кроме того, некоторые вирусы используют РНК в качестве промежуточного звена репликации (например, гепаднавирусы ).

История исследования

В 1847 из экстракта мышц быка было выделено вещество, которое получило название «инозиновая кислота». Это соединение стало первым изученным нуклеотидом. В течение последующих десятилетий были установлены детали его химического строения. В частности, было показано, что инозиновая кислота является рибозид-5′-фосфатом, и содержит N-гликозидную связь.
В 1868 году швейцарским химиком Фридрихом Мишером при изучении некоторых биологических субстанций было открыто неизвестное ранее вещество. Вещество содержало фосфор и не разлагалось под действием протеолитических ферментов. Также оно обладало выраженными кислотными свойствами. Вещество было названо «нуклеином»

Соединению была приписана брутто-формула C29H49N9O22P3.
Уилсон обратил внимание на практическую идентичность химического состава «нуклеина» и открытого незадолго до этого «хроматина» — главного компонента хромосом. Было выдвинуто предположение об особой роли «нуклеина» в передаче наследственной информации.
В 1889 г Рихард Альтман ввел термин «нуклеиновая кислота», а также разработал удобный способ получения нуклеиновых кислот, не содержащих белковых примесей.
Левин и Жакоб, изучая продукты щелочного гидролиза нуклеиновых кислот, выделили их основные составляющие — нуклеотиды и нуклеозиды, а также предложили адекватные структурные формулы, описывающие их свойства.
В 1921 году Левин выдвинул гипотезу «тетрануклеотидной структуры ДНК», оказавшуюся впоследствии ошибочной.
В 1935 году Клейн и Танхаузер с помощью фермента фосфатазы провели мягкое фрагментирование ДНК, в результате чего были получены в кристаллическом состоянии четыре ДНК-образующих нуклеотида. Это открыло новые возможности для установления структуры этих соединений.
В 1940-е годы научная группа в Кембридже под руководством Александера Тодда проводит широкие синтетические исследования в области химии нуклеотидов и нуклеозидов

В результате их работы были установлены все детали химического строения и стереохимии нуклеотидов. За цикл работ в этой области Александер Тодд был награждён Нобелевской премией в области химии в 1957 году.
В 1951 году Чаргаффом была установлена закономерность содержания в нуклеиновых кислотах нуклеотидов разных типов, получившая впоследствии название Правило Чаргаффа.
В 1953 году Уотсоном и Криком установлена вторичная структура ДНК, двойная спираль.

Это открыло новые возможности для установления структуры этих соединений.
В 1940-е годы научная группа в Кембридже под руководством Александера Тодда проводит широкие синтетические исследования в области химии нуклеотидов и нуклеозидов. В результате их работы были установлены все детали химического строения и стереохимии нуклеотидов. За цикл работ в этой области Александер Тодд был награждён Нобелевской премией в области химии в 1957 году.
В 1951 году Чаргаффом была установлена закономерность содержания в нуклеиновых кислотах нуклеотидов разных типов, получившая впоследствии название Правило Чаргаффа.
В 1953 году Уотсоном и Криком установлена вторичная структура ДНК, двойная спираль.

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.

Транспортные РНК содержат обычно 76 (от 75 до 95) нуклеотидов; молекулярная масса — 25 000–30 000. На долю тРНК приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке. Функции тРНК: 1) транспорт аминокислот к месту синтеза белка, к рибосомам, 2) трансляционный посредник. В клетке встречается около 40 видов тРНК, каждый из них имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов. Однако у всех тРНК имеется несколько внутримолекулярных комплементарных участков, из-за которых тРНК приобретают конформацию, напоминающую по форме лист клевера. У любой тРНК есть петля для контакта с рибосомой (1), антикодоновая петля (2), петля для контакта с ферментом (3), акцепторный стебель (4), антикодон (5). Аминокислота присоединяется к 3′-концу акцепторного стебля. Антикодон — три нуклеотида, «опознающие» кодон иРНК. Следует подчеркнуть, что конкретная тРНК может транспортировать строго определенную аминокислоту, соответствующую ее антикодону. Специфичность соединения аминокислоты и тРНК достигается благодаря свойствам фермента аминоацил-тРНК-синтетаза.

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.

Роль рибосомальной РНК в переводе

Трансляция последовательности мРНК требует участия рРНК на каждом этапе – инициации, удлинения и терминации.

Посланные РНК несут генетическую информацию, закодированную в ДНК, в цитоплазму, где нуклеотид последовательность читается рибосомами в отрезках трех оснований, называемых кодонами. Четыре нуклеотида, аденин, урацил, гуанин и цитозин, могут быть сгруппированы, чтобы образовать в общей сложности шестьдесят четыре триплетных кодона. Каждый кодон соответствует одной аминокислоте и, следовательно, кодирует последовательность белка.

Прокариотическая трансляция начинается с спаривания оснований 16S рРНК с консенсусной последовательностью Шайна-Далгарно в мРНК. Поскольку последовательность Шайна-Далгарно находится на 6-10 нуклеотидов выше стартовый кодон связывание с рРНК позволяет расположить стартовый кодон внутри рибосомы. Это взаимодействие опосредуется другими белками, которые также рекрутируют большую рибосомную субъединицу, а затем транслируется первый кодон. У эукариот факторы инициации эукариот 4E и 4G (eIF4E и eIF4G) связываются с 5′-концом мРНК, рекрутируя как меньшую субъединицу рибосомы, так и тРНК, несущую метионин. Рибосома сканирует мРНК, чтобы найти стартовый кодон, после чего факторы инициации отделяются от механизма трансляции.

Каждая новая аминокислота, присоединенная к тРНК, попадает на сайт А. Спаривание оснований между кодоном на мРНК и комплементарной антикодоновую на тРНК изменяется конформация трех остатков на 16S рРНК. Эти остатки взаимодействуют с антикодоном, стабилизируют комплекс тРНК-мРНК, и ферментативная активность рРНК полностью позиционирует аминоацил-тРНК в пределах сайта А.

К настоящему времени синтезированный полипептид связан с Р-сайтом на рибосоме. Рибосомная РНК в более крупной субъединице катализирует реакцию, которая образует пептидную связь между аминокислотой в A-сайте и растущей полипептидной цепью в P-сайте. Синтез полипептида прекращается, когда рибосома достигает стоп кодон и рРНК катализирует добавление молекулы воды к полипептиду в Р-сайте.

Ответ на вопрос № 1

С верно. Это единица времени, эквивалентная 10-13 секундам. Хотя на него влияют молекулярная масса, плотность и объем, это не является точной оценкой какого-либо из этих свойств.

2. Почему рРНК используется в качестве инструмента для изучения таксономии?A. Это выражено в каждом видеB. Это доступно в изобилииC. Легко извлечьD. Ни один из вышеперечисленных

Ответ на вопрос № 2

верно. Он экспрессируется в каждой клетке каждого вида, и каждый остаток в рРНК, по-видимому, эволюционирует с определенной скоростью. Анализ этих изменений может дать оценку эволюционных расстояний между видами. Считается, что некоторые ферментативные домены на рРНК предшествуют появлению жизни на земле.

3. Сколько кодонов образуется из нуклеотидных триплетов на мРНК?A. 20B. 64C. 12D. 80

Ответ на вопрос № 3

В верно. Четыре нуклеотида могут быть организованы как триплеты шестидесяти четырьмя способами. Поскольку в природе найдено только двадцать аминокислот, многие разные кодоны могут представлять одну аминокислоту.

Типы РНК и их функции

Существует три типа РНК: мессенджер (мРНК), рибосома (рРНК) и транспортер (рНК).

Messenger RNA

Messenger RNA — это молекула, ответственная за перенос генетической информации из ДНК в цитоплазму.

Когда клетка требует производства определенного белка, ДНК инициирует процесс транскрипции, посредством которого копируется генетический код, таким образом синтезируя полосу мРНК. Эта РНК действует как мобильная копия ДНК, которая несет сообщение в цитоплазму и сообщает тип белка, который должен быть произведен.

Рибосомная РНК

Рибосомная (или рибосомная) РНК — это вещество, которое составляет около 60% рибосомы, органеллы, в которой происходит синтез белка. Его функция заключается в оказании помощи в переводе информации, передаваемой РНК-мессенджером.

Рибосомная РНК синтезируется в плотной области, расположенной в ядре клетки, называемой ядрышком. Поскольку это основной компонент рибосомы, рРНК необходима для всех функций органелл, особенно для правильного спаривания мессенджера РНК и транспортера РНК.

Транспортер РНК

Транспортерная (или переносная) РНК — это молекула, ответственная за доставку аминокислот в рибосому для помощи в синтезе белков.

Когда РНК-мессенджер сообщает тип белка, который должен быть произведен, рибосомная РНК помогает в передаче информации на транспортер РНК. На основе кодонов (последовательность из трех азотистых оснований) идентифицируется генетический код, и RNAt отвечает за транспортировку совместимых аминокислот для производства белка.

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:

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.

2. Хімічний склад і модифікації мономерів

Нуклеотиди РНК складаються з цукру — рибози, до якої в положенні 1 ‘приєднано одне з підстав: аденін, гуанін, цитозин або урацил. Фосфатна група з’єднує рибози в ланцюжок, утворюючи зв’язку з 3 ‘атомом вуглецю однієї рибози і в 5′ положенні іншого. Фосфатні групи при фізіологічному рН негативно заряджені, тому РНК — полі аніон. РНК транскрибується як полімер чотирьох підстав ( аденіну (A), гуаніну (G), урацилу (U) і цитозина (C), але в «зрілої» РНК є багато модифікованих підстав і цукрів . Всього в РНК налічується близько 100 різних видів модифікованих нуклеозидів, з яких 2’-О-метілрібоза найбільш часта модифікація цукру, а псевдоуридин — найбільш часто зустрічається модифіковане підставу . У псевдоурідін (Ψ) зв’язок між урацилом і рибозой не C — N, а C — C, цей нуклеотид зустрічається в різних положеннях в молекулах РНК. Зокрема, псевдоуридин важливий для функціонування тРНК . Інше заслуговує уваги модифіковане підстава — гіпоксантин, деамінірованний гуанін, нуклеозид якого носить назву інозину. Інозин грає важливу роль в забезпеченні виродженість генетичного коду. Роль багатьох інших модифікацій не до кінця вивчена, але в рибосомальної РНК багато пост- транскрипційні модифікації знаходяться у важливих для функціонування рибосоми ділянках. Наприклад, на одному з рибонуклеотидов, які беруть участь в утворенні пептидного зв’язку .

ДНК