Какое азотистое основание не содержится в рнк
всеобщность
Азотистые основания представляют собой ароматические гетероциклические органические соединения, содержащие атомы азота, которые принимают участие в образовании нуклеотидов.
Плоды объединения азотистого основания, пентозы (то есть сахара с 5 атомами углерода) и фосфатной группы, нуклеотидов являются молекулярными единицами, которые составляют нуклеиновые кислоты ДНК и РНК.
В ДНК азотистыми основаниями являются: аденин, гуанин, цитозин и тимин; в РНК они такие же, кроме тимина, в месте которого находится азотистое основание, называемое урацил.
В отличие от РНК, азотистые основания ДНК образуют пары или пары оснований. Наличие такого спаривания возможно, потому что ДНК имеет двухцепочечную нуклеотидную структуру.
Экспрессия генов зависит от последовательности азотистых оснований в сочетании с нуклеотидами ДНК.
Что такое азотистые основания?
Азотистые основания — это органические молекулы, содержащие азот, которые принимают участие в образовании нуклеотидов .
Каждый из образованных азотистых оснований, сахара с 5 атомами углерода (пентозы) и фосфатной группы, нуклеотиды являются молекулярными единицами, которые составляют нуклеиновые кислоты ДНК и РНК .
ДНК и РНК нуклеиновых кислот являются биологическими макромолекулами, от которых зависит развитие и правильное функционирование клеток живого существа.
Азотистые основы нуклеиновых кислот
Азотистые основания, из которых состоят нуклеиновые кислоты ДНК и РНК: аденин, гуанин, цитозин, тимин и урацил .
Аденин, гуанин и цитозин являются общими для обеих нуклеиновых кислот, то есть они являются частью как нуклеотидов ДНК, так и нуклеотидов РНК. Тимин является эксклюзивным для ДНК, а урацил — исключительно для РНК .
Если коротко, то азотистые основания, которые образуют нуклеиновую кислоту (будь то ДНК или РНК), относятся к 4 различным типам.
СОКРАЩЕНИЯ АЗОТНЫХ ОСНОВ
Химики и биологи сочли целесообразным сократить названия азотистых оснований одной буквой алфавита. Таким образом, они сделали представление и описание нуклеиновых кислот в текстах проще и быстрее.
Аденин совпадает с заглавными буквами A; гуанин с заглавной буквой G; цитозин с заглавной буквой С; тимин с заглавными буквами T; наконец, урацил с заглавной буквой U.
Классы и структура
Существует два класса азотистых оснований: класс азотистых оснований, которые происходят от пиримидина, и класс азотистых оснований, которые происходят от пурина .
Рисунок: общая химическая структура пиримидина и пурина.
Азотистые основания, происходящие из пиримидина, также известны под альтернативными названиями: пиримидиновые или пиримидиновые азотистые основания ; в то время как азотистые основания, которые происходят из пурина, также известны с альтернативными словами: пуриновые или пуриновые азотистые основания .
Цитозин, тимин и урацил относятся к классу пиримидиновых азотистых оснований; аденин и гуанин, с другой стороны, составляют класс пуриновых азотистых оснований.
Примеры производных пурина, кроме азотистых оснований ДНК и РНК
Среди производных пурина есть также органические соединения, которые не являются азотистыми основаниями ДНК и РНК. Например, такие соединения, как кофеин, ксантин, гипоксантин, теобромин и мочевая кислота, попадают в эту категорию.
ЧТО ТАКОЕ ОСНОВЫ AZOTE ИЗ ХИМИЧЕСКОЙ ТОЧКИ ЗРЕНИЯ?
Химики-органики определяют азотистые основания и все производные пурина и пиримидина как гетероциклические ароматические соединения .
- Гетероциклическое соединение представляет собой органическое кольцевое (или циклическое) соединение, которое в вышеупомянутом кольце имеет один или несколько атомов, отличных от углерода. В случае пуринов и пиримидинов атомы, отличные от углерода, являются атомами азота.
- Ароматическое соединение представляет собой органическое соединение в форме кольца, имеющее структурные и функциональные характеристики, сходные с характеристиками бензола.
СТРУКТУРА
Рисунок: химическая структура бензола.
Химическая структура азотистых оснований, полученных из пиримидина, состоит, главным образом, в одном кольце с 6 атомами, 4 из которых представляют собой атомы углерода и 2 из которых представляют собой азот.
Фактически, азотистое основание пиримидина представляет собой пиримидин с одним или несколькими заместителями (т.е. одним атомом или группой атомов), связанными с одним из атомов углерода кольца.
Напротив, химическая структура азотистых оснований, полученных из пурина, состоит, главным образом, из двойного кольца с 9 полными атомами, 5 из которых являются атомами углерода и 4 из которых являются азотом. Вышеупомянутое двойное кольцо с 9 суммарными атомами происходит из слияния пиридиминового кольца (то есть пиримидинового кольца) с имидазольным кольцом (то есть кольцом имидазола, другого органического гетероциклического соединения).
Рисунок: структура имидазола.
Как известно, пиримидиновое кольцо содержит 6 атомов; в то время как имидазольное кольцо содержит 5. При слиянии два кольца имеют по два атома углерода в каждом, и это объясняет, почему конечная структура содержит, в частности, 9 атомов.
РАСПОЛОЖЕНИЕ АТОМОВ АЗОТА В ПУРИНЕ И ПИРИМИДИНЕ
Чтобы упростить изучение и описание органических молекул, химики-органики решили назначить идентификационный номер для углей и всех других атомов несущих структур. Нумерация всегда начинается с 1, она основана на очень специфических критериях присвоения (которые здесь лучше не указывать) и служит для определения положения каждого атома в молекуле.
Для пиримидинов числовые критерии назначения устанавливают, что 2 атома азота занимают положение 1 и положение 3, тогда как 4 атома углерода находятся в положениях 2, 4, 5 и 6.
Для пуринов, с другой стороны, числовые критерии назначения утверждают, что 4 атома азота занимают позиции 1, 3, 7 и 9, тогда как 5 атомов углерода находятся в позициях 2, 4, 5, 6 и 8.
Положение в нуклеотидах
Азотистое основание нуклеотида всегда присоединяется к углероду в положении 1 соответствующей пентозы через ковалентную N-гликозидную связь .
В частности,
- Азотистые основания, происходящие из пиримидина, образуют N-гликозидную связь через азот в положении 1 ;
- В то время как азотистые основания, которые происходят из пурина, образуют N-гликозидную связь через азот в положении 9 .
В химической структуре нуклеотидов пентоза представляет собой центральный элемент, с которым связываются азотистое основание и фосфатная группа.
Химическая связь, которая объединяет фосфатную группу с пентозой, относится к фосфодиэфирному типу и включает кислород фосфатной группы и углерод в положении 5 пентозы.
КОГДА АЗОТ БАЗЫ ФОРМЫ НУКЛЕОЗИД?
Комбинация азотистого основания и пентозы образует органическую молекулу, которая называется нуклеозидом .
Таким образом, именно добавление фосфатной группы превращает нуклеозиды в нуклеотиды.
Более того, согласно конкретному определению нуклеотидов, эти органические соединения могут быть «нуклеозидами, которые имеют одну или несколько фосфатных групп, связанных с углеродом 5 составляющей пентозы».
Организация в ДНК
ДНК, или дезоксирибонуклеиновая кислота, представляет собой большую биологическую молекулу, образованную двумя очень длинными цепями нуклеотидов (или полинуклеотидными филаментами ).
Эти полинуклеотидные филаменты имеют некоторые характеристики, которые заслуживают особого упоминания, поскольку они также тесно связаны с азотистыми основаниями:
- Они объединены.
- Они ориентированы в противоположных направлениях («антипараллельные нити»).
- Они обертывают друг друга, как будто они две спирали.
- Нуклеотиды, которые их составляют, имеют такое расположение, что азотистые основания ориентированы по направлению к центральной оси каждой спирали, тогда как пентозы и фосфатные группы образуют внешние каркасы последних.
Сингулярное расположение нуклеотидов приводит к тому, что каждое азотистое основание одной из двух полинуклеотидных нитей объединяется посредством водородных связей с азотистым основанием, присутствующим на другой ниточке. Следовательно, этот союз создает комбинацию оснований, комбинаций, которые биологи и генетики называют спариванием, или пару оснований .
Выше было сказано, что две нити соединены вместе: именно связи между различными азотистыми основаниями двух полинуклеотидных нитей определяют их соединение.
КОНЦЕПЦИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОСНОВ
Изучив структуру ДНК, исследователи поняли, что спаривание азотистых оснований очень специфично . Фактически, они заметили, что аденин присоединяется только к тимину, а цитозин — только к гуанину.
В свете этого открытия они создали термин « комплементарность азотистых оснований », чтобы обозначить однозначное связывание аденина с тимином и цитозина с гуанином.
Идентификация комплементарного спаривания между азотистыми основаниями была ключом к объяснению физических размеров ДНК и особой стабильности, которой обладают два полинуклеотидных филамента.
В 1953 году американский биолог Джеймс Уотсон и английский биолог Фрэнсис Крик внесли решающий вклад в открытие структуры ДНК (от спиральной обмотки двух цепей полинуклеотидов до спаривания комплементарных азотистых оснований).
С формулировкой так называемой « модели двойной спирали » Уотсон и Крик обладали невероятной интуицией, которая представляла собой эпохальный поворотный момент в области молекулярной биологии и генетики.
Фактически, открытие точной структуры ДНК сделало возможным изучение и понимание биологических процессов, которые рассматривают дезоксирибонуклеиновую кислоту как главного героя: от того, как РНК реплицируется или формируется, до того, как она генерирует белки.
Галстуки, которые держат пары легких базисов вместе
Соединение двух азотистых оснований в молекуле ДНК, образующих комплементарное спаривание, представляет собой серию химических связей, известных как водородные связи .
Аденин и тимин взаимодействуют друг с другом с помощью двух водородных связей, а гуанин и цитозин — с помощью трех водородных связей.
СКОЛЬКО ПАР АЗОТАТОВЫХ ОСНОВ СОДЕРЖИТ МОЛЕКУЛУ ДНК ЧЕЛОВЕКА?
Общая молекула ДНК человека содержит около 3, 3 миллиарда основных азотных пар, что составляет около 3, 3 миллиарда нуклеотидов на нить.
Рисунок: химическое взаимодействие между аденином и тимином, а также между гуанином и цитозином. Читатель может отметить положение и количество водородных связей, которые удерживают вместе азотистые основания двух полинуклеотидных нитей.
Организация в РНК
В отличие от ДНК, РНК или рибонуклеиновая кислота представляет собой нуклеиновую кислоту, обычно состоящую из одной цепи нуклеотидов.
Следовательно, составляющие его азотистые основания являются «непарными».
Однако следует отметить, что отсутствие комплементарной цепи азотистых оснований не исключает возможности того, что азотистые основания РНК могут выглядеть как основания ДНК.
Другими словами, азотистые основания одной нити РНК могут соответствовать, согласно законам взаимодополняемости азотистых оснований, точно так же, как азотистые основания ДНК.
Комплементарное спаривание между азотистыми основаниями двух различных молекул РНК является основой важного процесса синтеза белка (или синтеза белка ).
URACILE ЗАМЕНИТ ТИМИНУ
В РНК урацил заменяет ДНК тимина не только по структуре, но и по комплементарному спариванию: фактически именно азотистое основание специфически связывается с аденином, когда две функциональные молекулы РНК появляются по функциональным причинам.
Биологическая роль
Экспрессия генов зависит от последовательности азотистых оснований, соединенных с нуклеотидами ДНК. Гены представляют собой более или менее длинные сегменты ДНК (то есть нуклеотидные сегменты), которые содержат информацию, необходимую для синтеза белка. Состоящие из аминокислот белки являются биологическими макромолекулами, которые играют фундаментальную роль в регуляции клеточных механизмов организма.
Последовательность азотистых оснований данного гена указывает аминокислотную последовательность родственного белка.
Нуклеиновые кислоты — это
природные высокомолекулярные соединения (полинуклеотиды), которые играют
огромную роль в хранении и передаче наследственной информации в живых
организмах.
Молекулярная масса нуклеиновых кислот
может меняться от сотен тысяч до десятков миллиардов. Они были открыты и
выделены из клеточных ядер еще в XIX в., однако их биологическая роль была
выяснена только во второй половине XX в.
В состав
нуклеотида — структурного звена нуклеиновых кислот — входят три составные
части:
1) азотистое основание — пиримидиновое или
пуриновое
Пиримидиновые
основания
– производные пиримидина, входящие в состав нуклеиновых кислот: урацил,
тимин, цитозин.
Для оснований, содержащих группу –ОН, характерно подвижное равновесие
структурных изомеров, обусловленное переносом протона от кислорода к азоту и
наоборот:
Пуриновые
основания
— производные пурина, входящие в состав нуклеиновых кислот: аденин, гуанин.
Гуанин
существует в виде двух структурных изомеров:
2) моносахарид
Рибоза и 2-дезоксирибоза относятся к моносахаридам, содержащим пять углеродных
атомов. В состав нуклеиновых кислот они входят в циклических β-формах:
3) остаток фосфорной кислоты
ДНК и
РНК
В
зависимости от того, какой моносахарид содержится в структурном звене
полинуклеотида — рибоза или 2-дезоксирибоза, различают
·
рибонуклеиновые кислоты (РНК) и
·
дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК)
В
главную (сахарофосфатную) цепь РНК входят остатки рибозы, а в ДНК – 2-дезоксирибозы.
Нуклеотидные звенья макромолекул ДНК могут содержать аденин, гуанин, цитозин
и тимин. Состав РНК отличается тем, что вместо тимина присутствует
урацил.
Молекулярная
масса ДНК достигает десятков миллионов а.е.м. Это самые длинные из известных
макромолекул. Значительно меньше молекулярная масса РНК (от нескольких сотен до
десятков тысяч). ДНК содержатся в основном в ядрах клеток, РНК – в рибосомах и
протоплазме клеток.
При
описании строения нуклеиновых кислот учитывают различные уровни организации
макромолекул: первичную и вторичную структуру.
·
Первичная структура нуклеиновых
кислот – это нуклеотидный состав и определенная последовательность нуклеотидных
звеньев в полимерной цепи.
Например:
В
сокращённом однобуквенном обозначении эта структура записывается как
…– А
– Г – Ц –…
·
Под
вторичной структурой нуклеиновых кислот понимают пространственно
упорядоченные формы полинуклеотидных цепей.
Вторичная
структура ДНК
представляет собой две параллельные неразветвленные полинуклеотидные цепи,
закрученные вокруг общей оси в двойную спираль.
Такая
пространственная структура удерживается множеством водородных связей,
образуемых азотистыми основаниями, направленными внутрь спирали.
Водородные
связи возникают между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым
основанием другой цепи. Эти основания составляют комплементарные пары (от лат. complementum
— дополнение).
Образование
водородных связей между комплементарными парами оснований обусловлено их пространственным
соответствием.
Пиримидиновое
основание комплементарно пуриновому основанию:
Водородные
связи между другими парами оснований не позволяют им разместиться в структуре
двойной спирали. Таким образом,
·
ТИМИН
(Т) комплементарен АДЕНИНУ (А),
·
ЦИТОЗИН
(Ц) комплементарен ГУАНИНУ (Г).
Комплементарность
оснований определяет комплементарность цепей в молекулах ДНК.
Комплементарность
полинуклеотидных цепей служит химической основой главной функции ДНК – хранения
и передачи наследственных признаков.
Способность
ДНК не только хранить, но и использовать генетическую информацию определяется
следующими ее свойствами:
·
молекулы
ДНК способны к репликации (удвоению), т.е. могут обеспечить возможность синтеза
других молекул ДНК, идентичных исходным, поскольку последовательность оснований
в одной из цепей двойной спирали контролирует их расположение в другой цепи.
·
молекулы
ДНК могут направлять совершенно точным и определенным образом синтез белков,
специфичных для организмов данного вида.
Вторичная
структура РНК
В
отличие от ДНК, молекулы РНК состоят из одной полинуклеотидной цепи и не имеют
строго определенной пространственной формы (вторичная структура РНК зависит от
их биологических функций).
Основная роль РНК – непосредственное участие в биосинтезе белка.
Известны
три вида клеточных РНК, которые отличаются по местоположению в клетке, составу,
размерам и свойствам, определяющим их специфическую роль в образовании белковых
макромолекул:
·
информационные
(матричные) РНК передают закодированную в ДНК информацию о структуре белка от
ядра клетки к рибосомам, где и осуществляется синтез белка;
·
транспортные
РНК собирают аминокислоты в цитоплазме клетки и переносят их в рибосому;
молекулы РНК этого типа «узнают» по соответствующим участкам цепи
информационной РНК, какие аминокислоты должны участвовать в синтезе белка;
·
рибосомные
РНК обеспечивают синтез белка определенного строения, считывая информацию с
информационной (матричной) РНК.
Если очень коротко, то это предположение, что жизнь на Земле начиналась не с ДНК или белков, а с ансамблей РНК.
Главной проблемой в происхождении жизни является вопрос о возникновении аппарата наследственности и вещества наследственности – нуклеиновых кислот.
Маловероятно, что жизнь началась с ДНК, потому что это громоздкие двухцепочечные молекулы, просто здоровенные по молекулярным меркам. Кроме того, они не могут сами себя обслуживать (нужны белки, а это всё усложняет).
Если предположить, что жизнь началась с белков, то возникают другие проблемы (например, откуда бы им взяться без ДНК).
Чем же РНК лучше?
РНК – одноцепочечные гибкие молекулы. Долгое время считалось, что функция РНК состоит в простом считывании информации с цепей ДНК + последующий синтез белков на РНК-матрице. Потом оказалось, что кодирующие РНК — малая доля всех РНК, а основная часть — как раз некодирующие. Было открыто явление обратной транскрипции – синтез ДНК на матрице РНК. Так же стало известно, что РНК способны самосворачиваться в компактные структуры, узнавать и избирательно связывать органические молекулы. Совсем как… белки.
Получается, РНК — уникальный биополимер, которому свойственны функции ДНК и белков одновременно:
1) Комплементарная репликация (если для чайников, то это достройка «обратной цепи» по имеющейся цепи. Не копирование и не зеркальное построение, а как бы «снятие негатива»)
2) Кодирование белков
3)Структурная и формообразующая функции (сворачивание в клубочки разной формы)
4)Специфическое узнавание молекул
5) Катализ реакций
Выходит, молекулы РНК могли бы обходиться не только без ДНК как генетического вещества, но и без белков для осуществления катализа реакций. Эта идея была сформулирована в 1986 г. и в настоящее время является почти общепринятой.
В древнем мире РНК не было ни белков, ни ДНК, а лишь ансамбли различных молекул РНК. Дело в том, что из единичных молекул РНК в подходящих условиях вырастают колонии из копий исходной молекулы.
Возможно, эти процессы происходили в мелких лужицах, которые то подсыхали и разделялись, то снова заливались доисторическим дождиком, сливаясь в одну большую. В луже, содержащей РНК, молекулы копировались (иногда с ошибками) и накапливались. Но на этом этапе никакой эволюции еще не было, потому что любые варианты копировались одинаково интенсивно. Чтобы естественный отбор начал работать, необходима была какая-то форма обособления отдельных ансамблей РНК. «Лучшие» обособленные ансамбли РНК должны расти быстрее других, перерастать их, тем самым обеспечивая отбор. Поэтому в большинстве теорий происхождения жизни возникновение каких-то ограничивающих мембран — необходимое условие начала эволюции. В этом одна из основных трудностей таких теорий.
Но для РНК была экспериментально показана способность формировать молекулярные колонии на гелях или других влажных твердых средах. Смешанные колонии РНК на твердых или полутвердых поверхностях, без каких-то ни было мембран, и могли быть первыми эволюционирующими бесклеточными ансамблями. Это создавало условия для очень быстрой эволюции: колонии РНК не были отгорожены от внешней среды и могли легко обмениваться своим генетическим материалом.
И так, эволюционный процесс должен был быть исключительно быстрым благодаря трем обстоятельствам:
1) Спонтанные перестройки молекул РНК + низкая точность копирования = огромное число вариантов для отбора.
2) Свободный обмен молекулами РНК между колониями через воду и атмосферу делал любые полезные инновации достоянием всех и позволял колониям быстро совершенствоваться за короткое время.
3) Экспоненциальное обогащение всей популяции «лучшими» молекулами РНК в циклах умножения и отбора — эволюционный двигатель для всего коммунального мира РНК в целом.
Если именно мир РНК возник и эволюционировал в клеточные формы жизни на Земле, то весь путь эволюции до индивидуальных организмов с клеточной структурой, ДНК и современным аппаратом белкового синтеза должен был быть пройден менее чем за пол-миллиарда лет.
Это адаптированное сокращение доклада А.С. Спирина «Древний мир РНК». Гуглится легко. Рекомендую прочитать его целиком, если вам интересны подробности.