Katere funkcije v celici so nukleinske kisline? Struktura in funkcije nukleinskih kislin

Nukleinske kisline igrajo pomembno vlogo v celici, kar zagotavlja njegovo vitalno aktivnost in reprodukcijo. Te lastnosti omogočajo, da jih imenujemo drugi pomembni biomolekuli po beljakovinah. Mnogi raziskovalci celo sprejmejo DNK in RNK na prvo mesto, kar pomeni njihov glavni pomen pri razvoju življenja. Kljub temu pa jim je namenjeno, da se po proteinu zavzamejo drugo mesto, saj je osnova življenja le polipeptidna molekula.

Nukleinske kisline so še ena življenjska raven, precej bolj zapletena in zanimiva, ker vsaka vrsta molekule opravi določeno nalogo. To je treba razumeti bolj podrobno.

Koncept nukleinskih kislin

Vse nukleinske kisline (DNA in RNA) so biološki heterogeni polimeri, ki se razlikujejo po številu verig. DNA je molekula dvojne verižnice, ki vsebuje genetske informacije eukariotskih organizmov. Molekule obročnih DNA lahko vsebujejo dedne informacije o nekaterih virusih. To so HIV in adenovirusi. Prav tako obstajajo dve posebni vrsti DNK: mitohondrija in plastid (najdemo v kloroplastih).

RNA ima tudi veliko več vrst, ki je posledica različnih funkcij nukleinske kisline. Obstaja jedrska RNA, ki vsebuje dedne informacije o bakterijah in večini virusov, matriks (ali informacij RNA), ribosomal in transport. Vsi sodelujejo pri shranjevanju dednih informacij ali pri izražanju genov. Vendar, v katerih funkcijah v celici se izvajajo nukleinske kisline, je treba podrobneje razumeti.

Dvovalentna DNA molekula

Ta vrsta DNA je popoln sistem za shranjevanje dednih informacij. Dvovalentna DNA molekula je ena molekula, sestavljena iz heterogenih monomerov. Njihova naloga je tvorba vodikovih vezi med nukleotidi druge verige. Sama DNA monomer sestoji iz dušikove baze, ostanka ortofosfata in petogljičnega deoksibroznega monosaharida. Odvisno od vrste dušikovih baz, ki leži na dnu posameznega monomera DNA, ima njegovo ime. Vrste DNA monomerov:

• Deoksiriboza z ostankom ortofosfata in bazo adenilnega dušika;
• Baza tiaminskega dušika z ostankom deoksiriboze in ortofosfata;
• Baza citozinskega dušika, dezoksibrioza in ortofosfat;
• Ortofosfat z ostankom deoksirize in gvaninskega dušika.

V pisni obliki je za poenostavitev strukture DNK adenilni ostanek označen kot "A", gvanin - "G", timidin - "T" in citozin - "C". Pomembno je, da se genetske informacije prenesejo iz molekule dvojno verižne DNA v informacijsko RNA. Obstaja nekaj razlik: tu kot ostanek ogljikovih hidratov ni deoksiriboze, temveč riboze, in namesto thimidyl nitrogenske baze v RNA najdemo uracil.

Struktura in funkcija DNK

DNK temelji na načelu biološkega polimera, v katerem se ena veriga ustvari vnaprej glede na dani vzorec, odvisno od genetskih informacij matične celice. Nukleotidi DNA so tukaj povezani s kovalentnimi vezmi. Potem so v skladu z načelom komplementarnosti drugi nukleotidi vezani na nukleotide enojne verižne molekule. Če v enojni molekuli izvor predstavlja nukleotidni adenin, potem bo v drugi (komplementarni) verigi ustrezal timinu. Guanine se dopolnjuje s citozinom. Tako je konstruirana dvojna verižna DNA molekula. Je v jedru in shranjuje dedne informacije, ki jih kodirajo kodoni - triplete nukleotidov. Funkcije dvojne verižne DNA:

• Ohranjanje podedovanih informacij, pridobljenih od matične celice;
• Izražanje genov;
• Ovira za mutacijske spremembe.

Pomen beljakovin in nukleinskih kislin

Menijo, da so funkcije beljakovin in nukleinskih kislin pogoste, in sicer: sodelujejo pri izražanju genov. Sama nukleinska kislina je njihovo mesto shranjevanja, protein pa je končni rezultat branja informacij iz gena. Sam gen je mesto ene popolne molekule DNA, pakirane v kromosomu, v katerem informacije o strukturi specifičnega proteina zabeležijo nukleotidi. En gen kodira aminokislinsko sekvenco samo enega proteina. To je beljakovina, ki bo uresničila dedne podatke.

Razvrstitev vrst RNK

Funkcije nukleinskih kislin v celici so zelo raznolike. In v primeru RNK so najštevilnejši. Vendar je ta polifunkcionalnost še vedno relativna, ker je ena vrsta RNA odgovorna za eno od funkcij. Obstajajo naslednje vrste RNK:

• Jedrske RNA virusi in bakterije;
• Matrika (informacije) RNA;
• Ribosomalna RNA;
• Matrika RNA plazmidov (kloroplasti);
• Ribosomska RNA kloroplastov;
• Mitohondrijska ribosomska RNA;
• Mitohondrijska matrika RNA;
• Transportna RNA.

RNA funkcije

Ta razvrstitev vsebuje več vrst RNA, ki so ločene glede na lokacijo. Vendar pa je treba funkcionalno razdeliti na 4 vrste: jedrske, informacijske, ribosomske in transportne. Funkcija ribosomske RNK je sinteza beljakovin, ki temelji na nukleotidnem zaporedju informacijske RNK. V tem primeru se aminokisline "prenesejo" na ribosomalno RNK, "naokoli" na informacijsko RNA, preko transportne ribonukleinske kisline. Tako sinteza poteka v katerem koli organizmu, ki ima ribosome. Struktura in funkcije nukleinskih kislin zagotavljajo tako ohranitev genskega materiala kot tudi ustvarjanje sinteznih procesov beljakovin.

Mitohondrijske nukleinske kisline

Če informacije o tem, katere funkcije v celici izvajajo nukleinske kisline, ki se nahajajo v jedru ali citoplazmi, je praktično vse znano, potem informacije o mitohondrijski in plastidni DNA še vedno niso dovolj. Tu smo našli specifične ribosomske in matrične RNA. DNK in RNA nukleinskih kislin sta prisotna tudi v najbolj avtotrofnih organizmih.

Morda je nukleinska kislina prišla v celico s simbiogenezo. Znanstveniki menijo, da je ta pot najbolj verjetna zaradi pomanjkanja alternativnih pojasnil. Proces se šteje kot sledi: simbiotična avtorotrofna bakterija je vstopila v celico v določenem obdobju. Zaradi tega ta nejedrska celica živi znotraj celice in ji zagotavlja energijo, vendar se postopoma zmanjšuje.

Na začetnih stopnjah evolucijskega razvoja je verjetno, da je simbiotska, nejedrska bakterija preselila mutacijske procese v jedro gostiteljske celice. To je omogočilo, da so geni, odgovorni za vzdrževanje informacij o strukturi mitohondrijskih proteinov, prodirali v nukleinsko kislino gostiteljske celice. Vendar pa do sedaj ni veliko informacij o tem, katere funkcije v celici opravljajo nukleinske kisline mitohondrijskega izvora.

Verjetno se nekateri proteini sintetizirajo v mitohondriji, katerih struktura še ni kodirana z jedrsko DNA ali gostiteljsko RNA. Verjetno je, da celica potrebuje mehanizem sinteze beljakovin le zato, ker mnogi proteini, sintetizirani v citoplazmi, ne morejo priti skozi dvojno membrano mitohondrije. Hkrati ti organeli proizvajajo energijo in zato, če obstaja kanal ali specifičen nosilec proteina, zadostuje za gibanje molekul in proti koncentracijskemu gradientu.

Plazmidna DNA in RNA

Plastidi (kloroplasti) imajo tudi svojo DNK, ki je verjetno odgovorna za uresničitev podobnih funkcij, kot v primeru mitohondrijskih nukleinskih kislin. Ima tudi svojo ribosomalno, matriko in transportno RNA. In plastidi, ki jih po številu membran, in ne po številu biokemičnih reakcij, so bolj zapleteni. Zdi se, da ima veliko plastidov 4 plasti membrane, kar znanstveniki razlagajo na različne načine.

Ena stvar je jasna: funkcije nukleinskih kislin v celici še niso v celoti raziskane. Ni znano, kakšen pomen ima mitohondrijski protein v sintetizacijskem sistemu in podoben kloroplastiki. Prav tako ni povsem jasno, zakaj celice potrebujejo mitohondrijske nukleinske kisline, če so proteini (očitno ne vsi) že kodirani v jedrski DNA (ali RNA, odvisno od organizma). Čeprav so nekatera dejstva prisiljena, da se strinjamo, da je sistem za sintezo beljakovin mitohondrije in kloroplast odgovoren za enake funkcije kot DNA jedra in RNK citoplazme. Ohranjujejo dedne podatke, jih reproducirajo in jih posredujejo hčerinskim celicam.

Povzetek

Pomembno je razumeti, katere funkcije v celici opravljajo nukleinske kisline jedrskega, plastidnega in mitohondrijskega izvora. To odpira veliko možnosti za znanost, saj se danes lahko reproducira simbiotski mehanizem, po katerem se je pojavilo veliko avtotrofnih organizmov. To bo dobilo novo vrsto celice, morda celo človeka. Čeprav je prezgodaj govoriti o možnostih za vnos membranskih plastidnih organelov v celice.

Mnogo bolj pomembno je razumeti, da so v celičnih nukleinskih kislinah odgovorne za skoraj vse procese. To je biosinteza beljakovin in ohranjanje informacij o strukturi celice. Še pomembneje je, da nukleinske kisline služijo kot prenos dednega materiala iz matičnih celic v hčerinske celice. To zagotavlja nadaljnji razvoj evolucijskih procesov.