If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Нуклеинови киселини

ДНК и РНК структура и функция. Нуклеотиди и полинуклеотиди. иРНК, рРНК, тРНК, миРНК и сиРНК.

Въведение

Нуклеиновите киселини, и в частност ДНК, са ключови макромолекули за продължението на живота. ДНК носи наследствената информация, която се предава от родители към деца, за да предостави инструкции за това как (и кога) да бъдат произведени множеството протеини, нужни за изграждане и поддържане на функциониращи клетки, тъкани и организми.
Начинът, по който ДНК носи тази информация, и по който тя се използва от клетките и организмите, е сложен, удивителен и почти невероятен, а ние ще го разгледаме в повече детайли в раздела по молекулярна биология. Тук просто набързо ще разгледаме нуклеиновите киселини от перспективата на макромолекулите.

Ролите на ДНК и РНК в клетките

Нуклеиновите киселини са макромолекули, изградени от единици, които наричаме нуклеотиди. Те се срещат в природата в две различни форми: дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК) и рибонуклеинова киселина (РНК). ДНК е генетичният материал, който се намира в живите организми, от едноклетъчни бактерии чак до многоклетъчни бозайници като теб и мен. Някои вируси използват РНК вместо ДНК като генетичен материал, но технически не се приемат за живи (тъй като не могат да се размножават без помощта на гостоприемник).

ДНК в клетките

В еукариотите, каквито са растенията и животните, ДНК се намира в ядрото: специализирано и отделено с мембрана „хранилище“ в клетката, както и в определени други видове органели (като митохондриите, както и хлоропластите на растенията). При прокариотите, каквито са бактериите, ДНК не е отделена с мембранна обвивка, въпреки че е локализирана в специализиран клетъчен регион, наречен нуклеоид.
При еукариотите ДНК обикновено е разделена на няколко много дълги, линейни части, наречени хромозоми, докато при прокариотите като бактериите хромозомите са много по-малки и често са кръгови (пръстеновидни). Една хромозома може да съдържа десетки хиляди гени, всеки от които предоставя инструкции за изграждане на определен продукт, необходим на клетката.

От ДНК през РНК до протеини

Много гени кодират протеини, което означава, че определят последователността на аминокиселините, използвани за изграждане на определен протеин. Преди тази информация да може да бъде използвана за синтез на протеини, трябва първо да бъде направено РНК копие (транскрипт) на гена. Този вид РНК се нарича информационна РНК (иРНК), тъй като служи като информационен посредник между ДНК и рибозомите, молекулярни машини, които прочитат последователностите на иРНК и ги използват за изграждане на протеини. Това преминаване от ДНК през РНК до протеин се нарича "централна догма” на молекулярната биология.
Важното обаче е, че не всички гени кодират протеинови продукти. Например някои гени определят рибозомни РНК-и (рРНК), които служат като структурни компоненти на рибозомите, или транспортни РНК-и (тРНК), подобни на детелина РНК молекули, които доставят аминокиселините до рибозомата за синтез на протеини. А други РНК молекули като малките микроРНК-и (миРНК) действат като регулатори на други гени. Постоянно се откриват нови видове РНК, които не кодират протеини.

Нуклеотиди

ДНК и РНК са полимери (в случая с ДНК, често много дълги полимери) и са изградени от мономери, познати като нуклеотиди. Когато тези мономери се комбинират, се получава верига, наречена полинуклеотид (поли- = "много").
Всеки нуклеотид е изграден от три части: съдържаща азот пръстеновидна структура, наречена азотна база, петвъглероден захарид и поне една фосфатна група. Захаридната молекула има централна позиция в нуклеотида, като азотната база се прикрепя към един от въглеродните ѝ атоми, а фосфатната група (или групи) се прикрепя към друг въглероден атом. Нека разгледаме последователно всяка част на един нуклеотид.
Изображение на компонентите на ДНК и РНК, включително захарида (дезоксирибоза или рибоза), фосфатната група и азотната база. Базите включват пиримидиновите бази (цитозин, тимин в ДНК, и урацил в РНК, с по един пръстен) и пуриновите бази (аденин и гуанин, с по два пръстена). Фосфатната група е свързана към 5' въглерода. 2' въглеродът е свързан хидроксилна група при рибозата, но при дезоксирибозата там няма хидроксилна група (има само водороден атом).
_Изображение, модифицирано от "Нуклеинови киселини: Фигура 1", от Колеж ОупънСтакс, Биология (CC BY 3.0)._

Азотни бази

Азотните бази на нуклеотидите са органични (базирани на въглерод) молекули, изградени от съдържащи азот пръстеновидни структури.
Всеки нуклеотид в ДНК съдържа една от четири възможни азотни бази: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). Аденинът и гуанинът са пурини, което означава, че техните структури съдържат два слети въглеродно-азотни пръстени. За разлика от тях, цитозинът и тиминът са пиримидини и имат един-единствен въглеродно-азотен пръстен. РНК нуклеотидите също могат да съдържат някоя от базите аденин, гуанин и цитозин, но вместо тимин те имат друга пиримидинова база, наречена урацил (У). Както е показано на фигурата по-горе, всяка база има уникална структура и свое собствено множество функционални групи, прикрепени към пръстеновидната ѝ структура.
В съкращенията от молекулярната биология азотните бази често биват наричани само с еднобуквените им символи: А, Т, Г, Ц и У. ДНК съдържа А, Т, Г и Ц, докато РНК съдържа А, У, Г и Ц (тоест Т е заменено с У).

Захариди

В допълнение към това, че имат леко различни множества от бази, ДНК и РНК нуклеотидите също имат леко различни захариди. Петвъглеродната захар в ДНК се нарича дезоксирибоза, а в РНК захаридът е рибоза. Двата захарида много си приличат по структура, като имат само една разлика: вторият въглероден атом на рибозата е свързан с хидроксилна група, докато еквивалентният въглероден атом на дезексирибозата има един водороден атом вместо нея. Въглеродните атоми на захарната молекула на един нуклеотид са номерирани като 1′, 2′, 3′, 4′ и 5′ (1′ се чете като „едно прим“), както е показано на фигурата по-горе. В един нуклеотид захарта заема централна позиция, като базата е прикрепена към нейния 1′ въглероден атом, а фосфатната група (или групи) е прикрепена към 5′ въглеродния атом.

Фосфат

Нуклеотидите може да имат една единствена фосфатна група или верига, която съдържа до три фосфатни групи, прикрепени към 5’ въглеродния атом на захарта. Някои химични източници използват термина „нуклеотид“ само за случая с едната фосфатна група, но в молекулярната биология като цяло е прието по-широкото определениеstart superscript, 1, end superscript
В клетката един нуклеотид, който ще бъде добавен към края на една полинуклеотидна верига, ще носи серия от три фосфатни групи. Когато нуклеотидът се присъедини към растящата ДНК или РНК верига, той губи две от фосфатните си групи. По този начин във веригата на ДНК или РНК всеки нуклеотид има само по една фосфатна група.

Полинуклеотидни вериги

Последица от структурата на нуклеотидите е, че една полинуклеотидна верига има посока – тоест, има два края, които са различни един от друг. В 5’ края, или началото, на веригата, 5’ фосфатната група на първия нуклеотид на веригата стърчи. В другия край, наречен 3’ край, 3’ хидроксилната група на последния нуклеотид, добавен към веригата, е свободна. ДНК последователностите обикновено се записват в посока 5’ към 3’, което означава, че нуклеотидът в 5’ края е пръв, а нуклеотидът в 3’ края е последен.
При добавянето на нуклеотиди към една верига ДНК или РНК, веригата нараства в своя 3’ край, като 5’ фосфатът на идващия нуклеотид се прикрепя към хидроксилната група в 3’ края на веригата. Това създава верига, в която всеки захарид се съединява със съседните си чрез множество връзки, наречени фосфодиестерни връзки.

Свойства на ДНК

Веригите дезоксирибонуклеинова киселина, или ДНК, обикновено се намират в двойна спирала: структура, в която две комплементарни (допълващи се) вериги са прикрепени една към друга, както е показано на диаграмата вляво. Захаридите и фосфатите лежат извън спиралата, образувайки гръбнака на ДНК; тази част на молекулата понякога се нарича захарофосфатен скелет. Азотните бази се простират във вътрешността, подобно на стъпалата на вито стълбище, по двойки; базите на една двойка са свързани една към друга чрез водородни връзки.
Структурен модел на двойна спирала ДНК.
Изображение: Джером Уолкър/Денис Митс.
Двете вериги на спиралата са насочени в противоположни посоки, което означава, че 5’ краят на едната верига е съчетан с 3’ края на съответната ѝ верига. (Това се нарича антипаралелна ориентация и е важна при копирането на ДНК.)
Могат ли всеки две бази да решат да се съберат и да образуват двойка в двойната спирала? Отговорът е определено не. Поради размерите и функционалните групи на базите, съчетаването на базите е силно специфично: А може да се съчетае само с Т, а Г може да се съчетае само с Ц, както е показано по-долу. Това означава, че двете вериги на двойната спирала на ДНК имат много предвидимо взаимоотношение една с друга.
Например, ако знаеш, че последователността на една верига е 5’-ААТТГГЦЦ-3’, то нейната комплементарна верига задължително трябва да е с последователност 3’-ТТААЦЦГГ-5’. Това позволява на всяка база да се свърже с партньора си:
5'-AATTGGCC-3' 3'-TTAACCGG-5'
Тези две вериги са взаимно допълващи се, като всяка база на едната от тях се намира до своя партньор от другата верига. Двойките A-T са свързани с две водородни връзки, а двойките G-C са свързани с три водородни връзки.
Когато две ДНК последователности си съответстват по този начин, така че да могат да се придържат една към друга по един антипаралелен начин и да образуват спирала, се казва, че те са допълващи се (комплементарни).
Водородното свързване между комплементарни бази поддържа ДНК веригите заедно в двойна спирала от антипаралелни вериги. Тиминът образува две водородни връзки с аденина, а гуанинът образува три водородни връзки с цитозина.
Изображение модифицирано от ОупънСтакс Биология.

Свойства на РНК

Рибонуклеиновата киселина (РНК), за разлика от ДНК, обикновено е едноверижна. Един нуклеотид в една РНК верига ще съдържа рибоза (петвъглеродна захар), една от четирите азотни бази (А, У, Г или Ц) и една фосфатна група. Тук ще разгледаме четири основни вида РНК: информационна РНК (иРНК), рибозомна РНК (рРНК), транспортна РНК (тРНК) и регулаторни РНК-и.

Информационна РНК (иРНК)

Информационната РНК (иРНК) е посредник между един протеин-кодиращ ген и неговия протеинов продукт. Когато клетката трябва да произведе определен протеин, генът, който кодира протеина, ще бъде „ включен“, което означава, че РНК-полимеризиращ ензим ще дойде и ще направи РНК копие, или транскрипт, на ДНК-последователността на гена. Транскриптът носи същата информация като ДНК-последователността на своя ген. Но в неговата РНК молекула базата Т е заменена с У. Например, ако една ДНК кодираща верига има последователност 5’-ААТТГЦГЦ-3’, то последователността на съответната РНК ще е 5’-ААУУГЦГЦ-3’.
След като бъде произведена иРНК, тя ще се свърже с рибозома: молекулярна машина, която е специализирана за сглобяване на протеини от аминокиселини. Рибозомата използва информацията в иРНК, за да направи протеин със съответна последователност, като „прочита“ нуклеотидите на иРНК в групи от по три (наречени кодони) и прибавя определена аминокиселина за всеки кодон.
Изображение на рибозома (съставена от протеини и рРНК), свързана към иРНК, като тРНК-и пренасят аминокиселините, които да се добавят към нарастващата верига. Конкретната тРНК ще се свърже към нея и по този начин аминокиселината, която ще се добави, във всеки даден момент се определя от последователността на иРНК, която се „прочита“ по това време.
Изображение: ОупънСтакс Биология.

Рибозомна РНК (рРНК) и транспортна РНК (тРНК)

Рибозомната РНК (рРНК) е главен компонент на рибозомите, където помага на иРНК да се прикрепи към правилното място, така че информацията от последователността да може да бъде прочетена. Някои рРНК-и също действат като ензими, което означава, че помагат за ускоряване (катализиране) на химични реакции – в този случай на образуването на връзки, които свързват аминокиселините, за да образуват протеин. РНК-и, които действат като ензими, са познати като рибозими.
Транспортните РНК-и (тРНК) също участват в синтеза на протеини, но тяхната работа е да действат като носители – да носят аминокиселини до рибозомата, като гарантират, че аминокиселината, добавена към веригата, е тази, която е зададена от иРНК. Транспортните РНК-и се състоят от една верига РНК, но тази верига има комплементарни сегменти, които се прикрепят едни към други, за да образуват двойноверижни области. Това съчетаване на базите създава сложна 3D структура, която е важна за функцията на молекулата.
Структура на тРНК. Цялостната молекула има форма, наподобяваща L.
Изображение, модифицирано от Protein Data Bank (работа на правителството на САЩ).

Регулаторна РНК (миРНК и сиРНК)

Някои видове некодиращи РНК (РНК, които не кодират протеини) помагат за регулация на експресията на други гени. Такива РНК може да бъдат наречени регулаторни РНК. Например микро РНК-ите (миРНК) и малките интерфериращи РНК (сиРНК) са малки регулаторни РНК молекули с дължина около 22 нуклеотида. Те се прикрепят към специфични иРНК молекули (с частично или напълно комплементарни последователности) и намаляват тяхната стабилност или влияят на транслацията им, давайки на клетката възможност да намали или настрои нивата на тези иРНК-и.
Това са само някои примера от много видове некодиращи и регулаторни РНК-и. Учените все още откриват нови вариации некодираща РНК.

Обобщение: Характеристики на ДНК и РНК

ДНКРНК
ФункцияХранилище за генетична информацияУчаства в синтезирането на белтъци и регулирането на гените; носител на генетичната информация при някои вируси
ЗахаридДезоксирибозаРибоза
СтруктураДвойна спиралаОбикновено е едноверижна
БазиЦ, Т, А, ГЦ, У, А, Г
Таблица, модифицирана от ОупънСтакс Биология.

Разгледай темата извън Кан Академия

Искаш ли да научиш повече за образуването на двойки от нуклеотидни бази? Разгледай тази интерактивна симулация от LabXchange.
LabXchange е безплатна, научно-образователна онлайн платформа, създадена от факултета по изкуства и науки на университета Харвард с подкрепата на фондация Amgen.