התקופה בה אנו חיים מסומנת בשינויים מדהימים, התקדמות ענקית, כאשר אנשים מקבלים תשובות לעוד ועוד שאלות חדשות. החיים מתקדמים במהירות, ומה שעד לאחרונה נראה בלתי אפשרי מתחיל להתגשם. בהחלט ייתכן שמה שנראה היום כעלילה מז'אנר המדע הבדיוני ירכוש בקרוב גם את תכונות המציאות.
אחת התגליות החשובות במחצית השנייה של המאה העשרים הייתה חומצות הגרעין RNA ו-DNA, שבזכותן התקרב האדם לפענח את מסתורי הטבע.
חומצות גרעין
חומצות גרעין הן תרכובות אורגניות בעלות תכונות מקרומולקולריות. הם מורכבים ממימן, פחמן, חנקן וזרחן.
הם התגלו בשנת 1869 על ידי F. Miescher, שבדק מוגלה. עם זאת, באותה תקופה לא ניתנה חשיבות רבה לגילוי שלו. רק מאוחר יותר, כשהחומצות הללו נמצאו בכל תאי החי והצומח, הגיעה ההבנה של תפקידן העצום.
ישנם שני סוגים של חומצות גרעין: RNA ו-DNA (ריבונוקלאית ודאוקסיריבונוקלאיתחומצות). מאמר זה עוסק בחומצה ריבונוקלאית, אך להבנה כללית, בואו נבחן גם מהו DNA.
מהי חומצה דאוקסיריבונוקלאית?
DNA היא חומצת גרעין המורכבת משני גדילים המחוברים לפי חוק ההשלמה על ידי קשרי מימן של בסיסים חנקניים. שרשראות ארוכות מפותלות לספירלה, סיבוב אחד מכיל כמעט עשרה נוקלאוטידים. קוטר הסליל הכפול הוא שני מילימטרים, המרחק בין הנוקלאוטידים הוא כחצי ננומטר. אורכה של מולקולה אחת מגיע לפעמים לכמה סנטימטרים. אורך ה-DNA של גרעין תא אנושי הוא כמעט שני מטרים.
מבנה ה-DNA מכיל את כל המידע הגנטי. ל-DNA יש שכפול, כלומר התהליך שבמהלכו נוצרות שתי מולקולות בת זהות לחלוטין ממולקולה אחת.
כפי שכבר צוין, השרשרת מורכבת מנוקלאוטידים, אשר בתורם מורכבים מבסיסים חנקן (אדנין, גואנין, תימין וציטוזין) ושארית חומצה זרחתית. כל הנוקלאוטידים שונים בבסיסים חנקניים. קשר מימן אינו מתרחש בין כל הבסיסים; אדנין, למשל, יכול לשלב רק עם תימין או גואנין. לפיכך, ישנם נוקלאוטידים אדניליים בגוף כמו נוקלאוטידים תימידיל, ומספר נוקלאוטידים גואניל שווה לנוקלאוטידים ציטידיל (כלל צ'רגף). מסתבר שהרצף של שרשרת אחת קובע מראש את הרצף של שרשרת אחרת, והשרשרות כאילו משקפות זו את זו. דפוס כזה, שבו הנוקלאוטידים של שתי שרשראות מסודרים בצורה מסודרת, וגם מחוברים באופן סלקטיבי, נקראעקרון ההשלמה. בנוסף לתרכובות מימן, הסליל הכפול גם יוצר אינטראקציה הידרופוביה.
שתי שרשראות נמצאות בכיוונים מנוגדים, כלומר, הן ממוקמות בכיוונים מנוגדים. לכן, מול שלושת הקצה של האחד נמצא קצה החמש של השרשרת השנייה.
כלפי חוץ, מולקולת ה-DNA דומה למדרגות לולייניות, שהמעקה שלה הוא עמוד שדרה של סוכר-פוספט, והשלבים הם בסיסי חנקן משלימים.
מהי חומצה ריבונוקלאית?
RNA היא חומצת גרעין עם מונומרים הנקראים ריבונוקלאוטידים.
במאפיינים כימיים, הוא דומה מאוד ל-DNA, שכן שניהם פולימרים של נוקלאוטידים, שהם N-glycoside מזורחן, הבנוי על שייר פנטוז (חמישה פחמן סוכר), עם קבוצת פוספטים על אטום הפחמן החמישי ובסיס חנקן באטום הפחמן הראשון.
זוהי שרשרת פולינוקלאוטידים בודדת (למעט וירוסים), שהיא קצרה בהרבה מזו של DNA.
מונומר RNA אחד הוא השאריות של החומרים הבאים:
- בסיסי חנקן;
- חד סוכר עם חמישה פחמן;
- חומצות זרחתיות.
לRNA יש בסיס פירמידין (אורציל וציטוזין) ופורין (אדנין, גואנין). ריבוז הוא החד-סוכר של נוקלאוטיד ה-RNA.
הבדלים בין RNA ל-DNA
חומצות גרעין נבדלות זו מזו בדרכים הבאות:
- כמותו בתא תלויה במצב הפיזיולוגי, בגיל ובשיוך לאיברים;
- DNA מכיל פחמימהדאוקסיריבוז, ו-RNA - ריבוז;
- הבסיס החנקני ב-DNA הוא תימין, וב-RNA הוא uracil;
- מחלקות מבצעות פונקציות שונות, אך מסונתזות על מטריצת ה-DNA;
- DNA הוא סליל כפול, RNA הוא גדיל יחיד;
- לא אופייני לחוקי ה-DNA Chargaff שלה;
- RNA יש יותר בסיסים מינוריים;
- שרשרות משתנות באופן משמעותי באורך.
ל-
היסטוריית מחקר
תא ה-RNA התגלה לראשונה על ידי הביוכימאי הגרמני ר. אלטמן בזמן שחקר תאי שמרים. באמצע המאה העשרים הוכח תפקידו של ה-DNA בגנטיקה. רק אז תוארו סוגי RNA, פונקציות וכדומה. עד 80-90% מהמסה בתא נופלת על rRNA, שיחד עם חלבונים יוצרים את הריבוזום ומשתתפים בביוסינתזה של חלבונים.
בשנות השישים של המאה הקודמת, הוצע לראשונה שחייב להיות מין מסוים הנושא את המידע הגנטי לסינתזת חלבון. לאחר מכן, הוכח מדעית שיש חומצות ריבו-נוקלאיות אינפורמטיביות כאלה המייצגות עותקים משלימים של גנים. הם נקראים גם RNAs שליח.
מה שנקרא חומצות תחבורה מעורבות בפענוח המידע שנרשם בהן.
מאוחר יותר החלו לפתח שיטות לזיהוי רצף הנוקלאוטידים ולביסוס מבנה ה-RNA בחלל החומצה. אז נמצא שחלק מהם, שנקראו ריבוזימים, יכולים לבקע שרשראות פוליריבונוקלאוטידים. כתוצאה מכך, החלו להניח שבזמן שבו צצו חיים על הפלנטה,RNA עבד ללא DNA וחלבונים. יתר על כן, כל השינויים נעשו בהשתתפותה.
מבנה מולקולת החומצה הריבונוקלאית
כמעט כל ה-RNA הם שרשראות בודדות של פולינוקלאוטידים, אשר בתורם מורכבים ממונוריבונוקלאוטידים - בסיסים של פורין ופירימידין.
נוקלאוטידים מסומנים באותיות הראשוניות של הבסיסים:
- adenine (A), A;
- guanine (G), G;
- ציטוזין (C), C;
- uracil (U), U.
הם מקושרים על ידי איגרות חוב של שלושה וחמישה פוספודיסטרים.
המספר המגוון ביותר של נוקלאוטידים (מכמה עשרות עד עשרות אלפים) נכלל במבנה של RNA. הם יכולים ליצור מבנה משני המורכב בעיקר מגדילים דו-גדיליים קצרים שנוצרים על ידי בסיסים משלימים.
מבנה של מולקולת חומצה ריבנוקלאית
כפי שכבר הוזכר, למולקולה יש מבנה חד-גדילי. RNA מקבל את המבנה והצורה המשני שלו כתוצאה מאינטראקציה של נוקלאוטידים זה עם זה. זהו פולימר שהמונומר שלו הוא נוקלאוטיד המורכב מסוכר, שארית חומצה זרחתית ובסיס חנקן. כלפי חוץ, המולקולה דומה לאחת משרשרות ה-DNA. נוקלאוטידים אדנין וגואנין, שהם חלק מה-RNA, הם פורין. ציטוזין ואורציל הם בסיסי פירמידין.
תהליך סינתזה
כדי שתסנתז מולקולת RNA, התבנית היא מולקולת DNA. נכון, התהליך ההפוך קורה גם, כאשר מולקולות חדשות של חומצה דאוקסיריבונוקלאית נוצרות על מטריצת החומצה הריבונוקלאית. כגוןמתרחשת במהלך שכפול של סוגים מסוימים של וירוסים.
הבסיס לביו-סינתזה יכול לשמש גם כמולקולות אחרות של חומצה ריבונוקלאית. השעתוק שלו, המתרחש בגרעין התא, מערב אנזימים רבים, אך המשמעותי שבהם הוא RNA פולימראז.
צפיות
תלוי בסוג ה-RNA, גם הפונקציות שלו שונות. ישנם מספר סוגים:
- i-RNA מידע;
- rRNA ריבוזומלי;
- transport t-RNA;
- minor;
- ribozymes;
- ויראלי.
חומצה ריבונוקלאית מידע
מולקולות כאלה נקראות גם מטריקס. הם מהווים כשני אחוז מהכלל בתא. בתאים איקריוטים, הם מסונתזים בגרעינים על גבי תבניות DNA, ואז עוברים לתוך הציטופלזמה ונקשרים לריבוזומים. יתר על כן, הם הופכים לתבניות לסינתזת חלבון: הם מצטרפים על ידי העברה של RNAs הנושאים חומצות אמינו. כך מתרחש תהליך טרנספורמציה של המידע, שמתממש במבנה הייחודי של החלבון. בכמה RNA ויראלי, זה גם כרומוזום.
ג'ייקוב ומנו הם המגלים של המין הזה. אין לו מבנה קשיח, השרשרת שלו יוצרת לולאות מעוקלות. לא עובד, i-RNA מתאסף לקפלים ומתקפל לכדור, ומתפרש במצב עבודה.
i-RNA נושא מידע על רצף חומצות האמינו בחלבון שעובר סינתזה. כל חומצת אמינו מקודדת במיקום ספציפי באמצעות קודים גנטיים שהם:
- tripletity - מארבעה מונונוקלאוטידים אפשר לבנות שישים וארבעה קודונים (קוד גנטי);
- לא חוצה - מידע נע בכיוון אחד;
- משכיות - עקרון הפעולה הוא ש-mRNA אחד הוא חלבון אחד;
- אוניברסליות - סוג כזה או אחר של חומצת אמינו מקודד בכל היצורים החיים באותו אופן;
- ניוון - ידועות עשרים חומצות אמינו, ושישים ואחד קודונים, כלומר, הם מקודדים במספר קודים גנטיים.
חומצה ריבוזומלית ריבונוקלאית
מולקולות כאלה מהוות את הרוב המכריע של ה-RNA הסלולרי, כלומר שמונים עד תשעים אחוז מהכלל. הם מתחברים עם חלבונים ויוצרים ריבוזומים - אלו הם אברונים שמבצעים סינתזת חלבון.
ריבוזומים הם שישים וחמישה אחוז rRNA ושלושים וחמישה אחוז חלבון. שרשרת פולינוקלאוטידים זו מתקפלת בקלות יחד עם החלבון.
הריבוזום מורכב מאזורי חומצות אמינו ופפטידים. הם ממוקמים על משטחי המגע.
ריבוזומים נעים בחופשיות בתא, ומסנתזים חלבונים במקומות הנכונים. הם לא מאוד ספציפיים ולא רק יכולים לקרוא מידע מ-mRNA, אלא גם ליצור איתם מטריצה.
חומצה ריבונוקלאית הובלה
t-RNA הוא הנחקר ביותר. הם מהווים עשרה אחוזים מהחומצה הריבונוקלאית התאית. סוגים אלו של RNA נקשרים לחומצות אמינו הודות לאנזים מיוחד ומועברים לריבוזומים. במקביל, חומצות אמינו מועברות בהובלהמולקולות. עם זאת, קורה שקודונים שונים מקודדים לחומצת אמינו. אז כמה RNAs תעבורה ישאו אותם.
זה מתכרבל לכדור כשהוא לא פעיל, אבל מתפקד כמו עלה תלתן.
החלקים הבאים מובחנים בו:
- גזע מקבל עם רצף הנוקלאוטידים של ACC;
- אתר לחיבור לריבוזום;
- אנטיקודון המקודד לחומצת האמינו המחוברת ל-tRNA זה.
מינים מינוריים של חומצה ריבונוקלאית
לאחרונה, מיני RNA התחדשו במחלקה חדשה, מה שנקרא RNA קטן. הם ככל הנראה מווסתים אוניברסליים שמפעילים או מכבים גנים בהתפתחות עוברית, כמו גם בקרה על תהליכים בתוך תאים.
Ribozymes זוהו לאחרונה, הם מעורבים באופן פעיל כאשר חומצת RNA עוברת תסיסה, ופועלים כזרז.
סוגים ויראליים של חומצות
הנגיף יכול להכיל חומצה ריבונוקלאית או חומצה דאוקסיריבונוקלאית. לכן, עם המולקולות המתאימות, הן נקראות המכילות RNA. כאשר נגיף כזה חודר לתא מתרחש שעתוק הפוך - DNA חדש מופיע על בסיס חומצה ריבונוקלאית, המשולבים בתאים, המבטיחים את קיומו ורבייתו של הנגיף. במקרה אחר, היווצרות של RNA משלים מתרחשת על ה-RNA הנכנס. וירוסים הם חלבונים, פעילות חיונית ורבייה נמשכת ללא DNA, אלא רק על בסיס המידע הכלול ב-RNA של הנגיף.
שכפול
כדי לשפר את ההבנה המשותפת, זה הכרחישקול את תהליך השכפול שמייצר שתי מולקולות חומצת גרעין זהות. כך מתחילה חלוקת תאים.
זה כרוך בפולימראזות של DNA, תלויות ב-DNA, פולימראזות של RNA וליגאזות של DNA.
תהליך השכפול מורכב מהשלבים הבאים:
- דיספיראליזציה - ישנה התפרקות רציפה של ה-DNA האימהי, לוכדת את כל המולקולה;
- שבירה של קשרי מימן, שבהם השרשראות מתפצלות, ומזלג שכפול מופיע;
- התאמה של dNTPs לבסיסים המשוחררים של רשתות האם;
- ביקוע פירופוספטים ממולקולות dNTP ויצירת קשרים פוספורודיאסטרים עקב שחרור אנרגיה;
- נשימה.
לאחר היווצרות מולקולת הבת, מחלקים את הגרעין, הציטופלזמה והשאר. כך נוצרים שני תאי בת שקיבלו לחלוטין את כל המידע הגנטי.
בנוסף, המבנה הראשוני של חלבונים המסונתזים בתא מקודד. ה-DNA לוקח חלק עקיף בתהליך הזה, ולא ישיר, המורכב מכך שעל ה-DNA מתרחשת סינתזה של חלבונים, RNA המעורב בהיווצרות. תהליך זה נקרא תמלול.
תמלול
הסינתזה של כל המולקולות מתרחשת במהלך שעתוק, כלומר, שכתוב מידע גנטי מאופרון DNA ספציפי. התהליך דומה לשכפול במובנים מסוימים, ושונה מאוד באחרים.
קווי הדמיון הם החלקים הבאים:
- מתחיל ב-DNA despiralization;
- מתרחש קרע מימןחיבורים בין בסיסי השרשראות;
- NTFs משלימים להם;
- נוצרים קשרי מימן.
הבדלים משכפול:
- במהלך שעתוק, רק חלק ה-DNA המתאים לתעתוק אינו מעוות, בעוד שבמהלך שכפול, המולקולה כולה אינה מתפתלת;
- בעת תמלול, NTFs הניתנים לשינוי מכילים ריבוז ואורציל במקום תימין;
- המידע נמחק רק מאזור מסוים;
- לאחר היווצרות המולקולה, קשרי המימן והשרשרת המסונתזת נשברים, והשרשרת מחליקה מה-DNA.
לתפקוד תקין, המבנה הראשוני של RNA צריך להיות מורכב רק מקטעי DNA שהועתקו מאקסונים.
תהליך ההבשלה מתחיל ב-RNA החדש שנוצר. אזורים שקטים נכרתים, ואזורים אינפורמטיביים מתמזגים ליצירת שרשרת פולינוקלאוטידים. יתר על כן, לכל מין יש טרנספורמציות משלו.
ב-i-RNA מתרחשת התקשרות לקצה הראשוני. פוליאדנילט מצורף לאתר הסופי.
בסיסי TRNA השתנו ליצירת מינים מינוריים.
ב-rRNA, גם בסיסים בודדים עוברים מתילציה.
הגן על חלבונים מהרס ושפר את ההובלה לציטופלזמה. RNA בוגר נקשר אליהם.
החשיבות של חומצות דיאוקסיריבונוקלאיות וחומצות ריבונוקלאיות
חומצות גרעין הן בעלות חשיבות רבה בחייהם של אורגניזמים. הוא מאוחסן בהם, מועבר לציטופלזמה ועובר בירושה על ידי תאי בתמידע על החלבונים המסונתזים בכל תא. הם קיימים בכל האורגניזמים החיים, היציבות של חומצות אלו משחקת תפקיד חשוב לתפקוד תקין של שני התאים והאורגניזם כולו. כל שינוי במבנה שלהם יוביל לשינויים סלולריים.
