Είναι γνωστό ότι όλες οι μορφές ζωντανής ύλης, από ιούς έως εξαιρετικά οργανωμένα ζώα (συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων), έχουν μια μοναδική κληρονομική συσκευή. Αντιπροσωπεύεται από μόρια δύο τύπων νουκλεϊκών οξέων: δεοξυριβονουκλεϊκού και ριβονουκλεϊκού. Σε αυτές τις οργανικές ουσίες, κωδικοποιούνται πληροφορίες που μεταδίδονται από τα άτομα γονέα στους απογόνους κατά την αναπαραγωγή. Σε αυτή την εργασία, θα μελετήσουμε τόσο τη δομή όσο και τις λειτουργίες του DNA και του RNA στο κύτταρο, και επίσης θα εξετάσουμε τους μηχανισμούς που διέπουν τις διαδικασίες μεταφοράς των κληρονομικών ιδιοτήτων της ζωντανής ύλης.
Όπως αποδείχθηκε, οι ιδιότητες των νουκλεϊκών οξέων, αν και έχουν κάποια κοινά χαρακτηριστικά, εντούτοις διαφέρουν από πολλές απόψεις. Επομένως, θα συγκρίνουμε τις λειτουργίες του DNA και του RNA που πραγματοποιούνται από αυτά τα βιοπολυμερή σε κύτταρα διαφόρων ομάδων οργανισμών. Ο πίνακας που παρουσιάζεται στην εργασία θα σας βοηθήσει να κατανοήσετε ποια είναι η θεμελιώδης διαφορά τους.
Νουκλεϊκά οξέα –σύνθετα βιοπολυμερή
Οι ανακαλύψεις στον τομέα της μοριακής βιολογίας που συνέβησαν στις αρχές του 20ου αιώνα, ιδίως η αποκωδικοποίηση της δομής του δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος, λειτούργησαν ως ώθηση για την ανάπτυξη της σύγχρονης κυτταρολογίας, γενετικής, βιοτεχνολογίας και γενετικής μηχανική. Από την άποψη της οργανικής χημείας, το DNA και το RNA είναι μακρομοριακές ουσίες που αποτελούνται από επανειλημμένα επαναλαμβανόμενες μονάδες - μονομερή, που ονομάζονται επίσης νουκλεοτίδια. Είναι γνωστό ότι συνδέονται μεταξύ τους, σχηματίζοντας αλυσίδες ικανές για χωρική αυτοοργάνωση.
Τέτοια μακρομόρια DNA συχνά συνδέονται με ειδικές πρωτεΐνες με ειδικές ιδιότητες που ονομάζονται ιστόνες. Τα σύμπλοκα νουκλεοπρωτεϊνών σχηματίζουν ειδικές δομές - νουκλεοσώματα, τα οποία, με τη σειρά τους, αποτελούν μέρος των χρωμοσωμάτων. Τα νουκλεϊκά οξέα μπορούν να βρεθούν τόσο στον πυρήνα όσο και στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου, που υπάρχουν σε ορισμένα από τα οργανίδια του, όπως τα μιτοχόνδρια ή οι χλωροπλάστες.
Χωρική δομή της ουσίας της κληρονομικότητας
Για να κατανοήσετε τις λειτουργίες του DNA και του RNA, πρέπει να κατανοήσετε λεπτομερώς τα χαρακτηριστικά της δομής τους. Όπως οι πρωτεΐνες, τα νουκλεϊκά οξέα έχουν πολλά επίπεδα οργάνωσης μακρομορίων. Η πρωτογενής δομή αντιπροσωπεύεται από πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες, οι δευτερεύουσες και τριτοταγείς διαμορφώσεις είναι αυτο-σύνθετες λόγω του αναδυόμενου ομοιοπολικού τύπου δεσμού. Ιδιαίτερο ρόλο στη διατήρηση του χωρικού σχήματος των μορίων έχουν οι δεσμοί υδρογόνου, καθώς και οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης van der Waals. Το αποτέλεσμα είναι ένα συμπαγέςη δομή του DNA, που ονομάζεται υπερπηνίο.
Μονομερή νουκλεϊκού οξέος
Η δομή και οι λειτουργίες του DNA, του RNA, των πρωτεϊνών και άλλων οργανικών πολυμερών εξαρτώνται τόσο από την ποιοτική όσο και από την ποσοτική σύνθεση των μακρομορίων τους. Και οι δύο τύποι νουκλεϊκών οξέων αποτελούνται από δομικά στοιχεία που ονομάζονται νουκλεοτίδια. Όπως είναι γνωστό από το μάθημα της χημείας, η δομή μιας ουσίας επηρεάζει αναγκαστικά τις λειτουργίες της. Το DNA και το RNA δεν αποτελούν εξαίρεση. Αποδεικνύεται ότι ο ίδιος ο τύπος του οξέος και ο ρόλος του στο κύτταρο εξαρτώνται από τη νουκλεοτιδική σύνθεση. Κάθε μονομερές περιέχει τρία μέρη: μια αζωτούχα βάση, έναν υδατάνθρακα και ένα υπόλειμμα φωσφορικού οξέος. Υπάρχουν τέσσερις τύποι αζωτούχων βάσεων για το DNA: αδενίνη, γουανίνη, θυμίνη και κυτοσίνη. Στα μόρια RNA, θα είναι, αντίστοιχα, αδενίνη, γουανίνη, κυτοσίνη και ουρακίλη. Οι υδατάνθρακες αντιπροσωπεύονται από διάφορους τύπους πεντόζης. Το ριβονουκλεϊκό οξύ περιέχει ριβόζη, ενώ το DNA περιέχει την αποοξυγονωμένη μορφή του, που ονομάζεται δεοξυριβόζη.
Χαρακτηριστικά του δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος
Πρώτον, θα εξετάσουμε τη δομή και τις λειτουργίες του DNA. Το RNA, το οποίο έχει απλούστερη χωρική διαμόρφωση, θα μελετηθεί από εμάς στην επόμενη ενότητα. Έτσι, δύο πολυνουκλεοτιδικοί κλώνοι συγκρατούνται μεταξύ τους με επανειλημμένα επαναλαμβανόμενους δεσμούς υδρογόνου που σχηματίζονται μεταξύ αζωτούχων βάσεων. Στο ζεύγος "αδενίνη - θυμίνη" υπάρχουν δύο και στο ζεύγος "γουανίνη - κυτοσίνη" υπάρχουν τρεις δεσμοί υδρογόνου.
Η συντηρητική αντιστοιχία των βάσεων πουρίνης και πυριμιδίνης ήτανανακαλύφθηκε από τον E. Chargaff και ονομάστηκε αρχή της συμπληρωματικότητας. Σε μία μόνο αλυσίδα, τα νουκλεοτίδια συνδέονται μεταξύ τους με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς που σχηματίζονται μεταξύ της πεντόζης και του υπολείμματος ορθοφωσφορικού οξέος γειτονικών νουκλεοτιδίων. Η ελικοειδής μορφή και των δύο αλυσίδων διατηρείται από δεσμούς υδρογόνου που εμφανίζονται μεταξύ των ατόμων υδρογόνου και οξυγόνου που αποτελούν μέρος των νουκλεοτιδίων. Η ανώτερη - τριτοταγής δομή (υπερπηνίο) - είναι χαρακτηριστικό του πυρηνικού DNA των ευκαρυωτικών κυττάρων. Σε αυτή τη μορφή, υπάρχει στη χρωματίνη. Ωστόσο, τα βακτήρια και οι ιοί που περιέχουν DNA έχουν δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ που δεν σχετίζεται με πρωτεΐνες. Αντιπροσωπεύεται από μια μορφή δακτυλίου και ονομάζεται πλασμίδιο.
Το DNA των μιτοχονδρίων και των χλωροπλαστών, οργανιδίων φυτικών και ζωικών κυττάρων, έχει την ίδια εμφάνιση. Στη συνέχεια, θα μάθουμε πώς οι λειτουργίες του DNA και του RNA διαφέρουν μεταξύ τους. Ο παρακάτω πίνακας θα μας δείξει αυτές τις διαφορές στη δομή και τις ιδιότητες των νουκλεϊκών οξέων.
Ριβονουκλεϊκό οξύ
Το μόριο RNA αποτελείται από έναν πολυνουκλεοτιδικό κλώνο (η εξαίρεση είναι οι δίκλωνες δομές ορισμένων ιών), ο οποίος μπορεί να βρίσκεται τόσο στον πυρήνα όσο και στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου. Υπάρχουν διάφοροι τύποι ριβονουκλεϊκών οξέων, τα οποία διαφέρουν ως προς τη δομή και τις ιδιότητες. Έτσι, το αγγελιαφόρο RNA έχει το υψηλότερο μοριακό βάρος. Συντίθεται στον πυρήνα του κυττάρου σε ένα από τα γονίδια. Το καθήκον του mRNA είναι να μεταφέρει πληροφορίες σχετικά με τη σύνθεση της πρωτεΐνης από τον πυρήνα στο κυτταρόπλασμα. Μορφή μεταφοράς νουκλεϊκού οξέος συνδέει μονομερή πρωτεΐνης– αμινοξέα – και τα μεταφέρει στον τόπο της βιοσύνθεσης.
Τέλος, το ριβοσωμικό RNA σχηματίζεται στον πυρήνα και εμπλέκεται στη σύνθεση πρωτεϊνών. Όπως μπορείτε να δείτε, οι λειτουργίες του DNA και του RNA στον κυτταρικό μεταβολισμό είναι ποικίλες και πολύ σημαντικές. Θα εξαρτηθούν, πρώτα απ 'όλα, από τα κύτταρα των οποίων οι οργανισμοί περιέχουν τα μόρια της ουσίας της κληρονομικότητας. Έτσι, στους ιούς, το ριβονουκλεϊκό οξύ μπορεί να λειτουργήσει ως φορέας κληρονομικών πληροφοριών, ενώ στα κύτταρα των ευκαρυωτικών οργανισμών μόνο το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ έχει αυτή την ικανότητα.
Λειτουργίες του DNA και του RNA στο σώμα
Ανάλογα με τη σημασία τους, τα νουκλεϊκά οξέα, μαζί με τις πρωτεΐνες, είναι οι πιο σημαντικές οργανικές ενώσεις. Διατηρούν και μεταδίδουν κληρονομικές ιδιότητες και χαρακτηριστικά από τον γονέα στους απογόνους. Ας ορίσουμε τη διαφορά μεταξύ των λειτουργιών του DNA και του RNA. Ο παρακάτω πίνακας θα δείξει αυτές τις διαφορές με περισσότερες λεπτομέρειες.
| Προβολή | Τοποθέτηση σε ένα κλουβί | Διαμόρφωση | Λειτουργία |
| DNA | πυρήνας | superspiral | διατήρηση και μετάδοση κληρονομικών πληροφοριών |
| DNA |
μιτοχόνδρια χλωροπλάστες |
κυκλικό (πλασμίδιο) | τοπική μετάδοση κληρονομικών πληροφοριών |
| iRNA | κυτταρόπλασμα | γραμμικό | αφαίρεση πληροφοριών από το γονίδιο |
| tRNA | κυτταρόπλασμα | δευτεροβάθμια | μεταφορά αμινοξέων |
| rRNA | πυρήνας καικυτταρόπλασμα | γραμμικό | σχηματισμός ριβοσωμάτων |
Ποια είναι τα χαρακτηριστικά της ουσίας της κληρονομικότητας των ιών;
Τα νουκλεϊκά οξέα των ιών μπορεί να έχουν τη μορφή τόσο μονόκλωνων όσο και δίκλωνων ελίκων ή δακτυλίων. Σύμφωνα με την ταξινόμηση του D. B altimore, αυτά τα αντικείμενα του μικρόκοσμου περιέχουν μόρια DNA που αποτελούνται από μία ή δύο αλυσίδες. Η πρώτη ομάδα περιλαμβάνει παθογόνα του έρπητα και αδενοϊούς και η δεύτερη περιλαμβάνει, για παράδειγμα, παρβοϊούς.
Οι λειτουργίες των ιών DNA και RNA είναι να διεισδύουν στις δικές τους κληρονομικές πληροφορίες στο κύτταρο, να πραγματοποιούν αντιδράσεις αντιγραφής μορίων ιικού νουκλεϊκού οξέος και να συγκεντρώνουν σωματίδια πρωτεΐνης στα ριβοσώματα του κυττάρου ξενιστή. Ως αποτέλεσμα, ολόκληρος ο κυτταρικός μεταβολισμός υποτάσσεται πλήρως σε παράσιτα, τα οποία, πολλαπλασιαζόμενα γρήγορα, οδηγούν το κύτταρο στο θάνατο.
ιοί RNA
Στην ιολογία, συνηθίζεται να χωρίζονται αυτοί οι οργανισμοί σε διάφορες ομάδες. Έτσι, το πρώτο περιλαμβάνει είδη που ονομάζονται μονόκλωνο (+) RNA. Το νουκλεϊκό τους οξύ εκτελεί τις ίδιες λειτουργίες με το αγγελιαφόρο RNA των ευκαρυωτικών κυττάρων. Μια άλλη ομάδα περιλαμβάνει μονόκλωνα (-) RNA. Πρώτον, η μεταγραφή γίνεται με τα μόριά τους, οδηγώντας στην εμφάνιση (+) μορίων RNA, και αυτά, με τη σειρά τους, χρησιμεύουν ως πρότυπο για τη συναρμολόγηση ιικών πρωτεϊνών.
Με βάση τα παραπάνω, για όλους τους οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένων των ιών, οι λειτουργίες του DNA και του RNA χαρακτηρίζονται εν συντομία ως εξής: αποθήκευση κληρονομικών χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων του οργανισμού και περαιτέρω μετάδοσή τους στους απογόνους.
