חומצות גרעין ממלאות תפקיד חשוב בתא, ומבטיחות את פעילותו ורבייתו החיוניות. תכונות אלו מאפשרות לקרוא להן המולקולות הביולוגיות השניות בחשיבותן אחרי חלבונים. חוקרים רבים אף שמים את ה-DNA וה-RNA במקום הראשון, מה שמרמז על חשיבותם העיקרית בהתפתחות החיים. למרות זאת, הם מיועדים לתפוס את המקום השני אחרי חלבונים, מכיוון שבסיס החיים הוא בדיוק מולקולת הפוליפפטיד.
חומצות גרעין הן רמת חיים שונה, הרבה יותר מורכבת ומעניינת בשל העובדה שכל סוג של מולקולה עושה עבורה עבודה ספציפית. יש לבחון זאת ביתר פירוט.
המושג של חומצות גרעין
כל חומצות הגרעין (DNA ו-RNA) הן פולימרים הטרוגניים ביולוגיים הנבדלים זה מזה במספר השרשראות. DNA הוא מולקולת פולימר דו-גדילית המכילהמידע גנטי של אורגניזמים אוקריוטיים. מולקולות DNA מעגליות עשויות להכיל מידע תורשתי של וירוסים מסוימים. אלה הם HIV ואדנוווירוסים. ישנם גם 2 סוגים מיוחדים של DNA: מיטוכונדריה ופלסיד (נמצא בכלורופלסטים).
ל-
RNA, לעומת זאת, יש הרבה יותר סוגים, בשל התפקודים השונים של חומצת הגרעין. ישנו RNA גרעיני, המכיל את המידע התורשתי של חיידקים ורוב הנגיפים, מטריקס (או RNA שליח), ריבוזומלי ותחבורה. כולם מעורבים באחסון מידע תורשתי או בביטוי גנים. עם זאת, יש צורך להבין ביתר פירוט אילו פונקציות מבצעות חומצות גרעין בתא.
מולקולת DNA כפולה
סוג זה של DNA הוא מערכת אחסון מושלמת למידע תורשתי. מולקולת DNA דו-גדילית היא מולקולה בודדת המורכבת ממונומרים הטרוגניים. המשימה שלהם היא ליצור קשרי מימן בין נוקלאוטידים של שרשרת אחרת. מונומר ה-DNA עצמו מורכב מבסיס חנקני, שארית אורתופוספט ומחד-סוכר בעל חמישה פחמנים דאוקסיריבוז. תלוי איזה סוג של בסיס חנקני עומד בבסיס מונומר DNA מסוים, יש לו שם משלו. סוגי מונומרים של DNA:
- דאוקסיריבוז עם שארית אורתופוספט ובסיס חנקני אדניל;
- תימדין בסיס חנקני עם דאוקסיריבוז ושארית אורתופוספט;
- בסיס חנקן ציטוזין, שאריות דאוקסיריבוז ואורתופוספט;
- אורתופוספט עם שאריות חנקן של דאוקסיריבוז וגואנין.
בכתב, כדי לפשט את סכימת מבנה ה-DNA, שייר האדניל מסומן כ-"A", שייר הגואנין מסומן כ-"G", שייר התימידין הוא "T", ושארית הציטוזין היא "C". ". חשוב שמידע גנטי יועבר ממולקולת ה-DNA הדו-גדילית ל-RNA שליח. יש לו מעט הבדלים: כאן, כשריד פחמימה, אין דאוקסיריבוז, אלא ריבוז, ובמקום הבסיס החנקתי תימידיל, אורציל מופיע ב-RNA.
מבנה ותפקודים של DNA
DNA בנוי על עיקרון של פולימר ביולוגי, שבו נוצרת מראש שרשרת אחת לפי תבנית נתונה, בהתאם למידע הגנטי של תא האב. נוקלאוטידים של DNA מחוברים כאן בקשרים קוולנטיים. לאחר מכן, על פי עקרון ההשלמה, נוקלאוטידים אחרים מחוברים לנוקלאוטידים של המולקולה החד-גדילית. אם במולקולה חד-גדילית ההתחלה מיוצגת על ידי הנוקלאוטיד אדנין, אז בשרשרת השנייה (המשלימה) היא תתאים לטימין. גואנין משלים לציטוזין. כך, נבנית מולקולת DNA דו-גדילית. הוא ממוקם בגרעין ומאחסן מידע תורשתי, המקודד על ידי קודונים - שלישיות של נוקלאוטידים. פונקציות DNA דו-גדילי:
- שימור מידע תורשתי שהתקבל מתא האב;
- ביטוי גנים;
- מניעת שינויים מוטציות.
חשיבותם של חלבונים וחומצות גרעין
מאמינים שתפקידיהם של חלבונים וחומצות גרעין נפוצות, כלומר:הם מעורבים בביטוי גנים. חומצת הגרעין עצמה היא מקום האחסון שלהם, והחלבון הוא התוצאה הסופית של קריאת מידע מהגן. הגן עצמו הוא קטע של מולקולת DNA אינטגרלית אחת, ארוז בכרומוזום, שבו נרשם מידע על המבנה של חלבון מסוים באמצעות נוקלאוטידים. גן אחד מקודד לרצף חומצות אמינו של חלבון אחד בלבד. החלבון הוא שיטמיע את המידע התורשתי.
סיווג סוגי RNA
הפונקציות של חומצות גרעין בתא מגוונות מאוד. והם רבים ביותר במקרה של RNA. עם זאת, רב-תכליתיות זו עדיין יחסית, מכיוון שסוג אחד של RNA אחראי על אחת מהפונקציות. במקרה זה, ישנם סוגי RNA הבאים:
- RNA גרעיני של וירוסים וחיידקים;
- מטריקס (מידע) RNA;
- ריבוזומלי RNA;
- מסנג'ר RNA פלסמיד (כלורופלסט);
- כלורופלסט ריבוזומלי RNA;
- מיטוכונדריה ריבוזומלית RNA;
- מיטוכונדריאל שליח RNA;
- transfer RNA.
פונקציות RNA
סיווג זה מכיל מספר סוגים של RNA, המחולקים בהתאם למיקום. עם זאת, במונחים פונקציונליים, יש לחלק אותם ל-4 סוגים בלבד: גרעיני, מידע, ריבוזום ותחבורה. תפקידו של RNA ריבוזומלי הוא סינתזת חלבון המבוססת על רצף הנוקלאוטידים של RNA שליח. איפהחומצות אמינו "מובאות" ל-RNA הריבוזומלי, "מתוחמות" על ה-RNA שליח, באמצעות חומצה ריבונוקלאית תחבורה. כך מתבצעת סינתזה בכל אורגניזם שיש לו ריבוזומים. המבנה והתפקודים של חומצות גרעין מספקים הן את שימור החומר הגנטי והן את יצירת תהליכי סינתזת חלבון.
חומצות גרעין מיטוכונדריות
אם כמעט הכל ידוע על התפקודים בתא המבוצעים על ידי חומצות גרעין הממוקמות בגרעין או בציטופלזמה, אז עדיין יש מעט מידע על DNA המיטוכונדריאלי והפלסטידי. נמצאו כאן גם RNA ריבוזומלי ושליח ספציפי. חומצות גרעין DNA ו-RNA קיימות כאן אפילו באורגניזמים האוטוטרופיים ביותר.
אולי חומצת הגרעין נכנסה לתא בסימביוגנזה. נתיב זה נחשב על ידי מדענים כסביר ביותר בשל היעדר הסברים חלופיים. התהליך נחשב כדלקמן: חיידק אוטוטרופי סימביוטי נכנס לתא בתקופה מסוימת. כתוצאה מכך, תא נטול גרעיני זה חי בתוך התא ומספק לו אנרגיה, אך מתכלה בהדרגה.
בשלבים הראשונים של ההתפתחות האבולוציונית, כנראה, חיידק סימביוטי שאינו גרעיני הניע תהליכי מוטציה בגרעין התא המארח. זה אפשר להחדיר את הגנים האחראים על אחסון מידע על מבנה החלבונים המיטוכונדריאליים לחומצת הגרעין של התא המארח. עם זאת, לעת עתה, אילו פונקציות בתא מבוצעות על ידי חומצות גרעין ממקור מיטוכונדריאלי,אין הרבה מידע.
כנראה, חלק מהחלבונים מסונתזים במיטוכונדריה, שמבנהם עדיין לא מקודד על ידי ה-DNA הגרעיני או ה-RNA של המארח. סביר גם שהתא זקוק למנגנון משלו של סינתזת חלבונים רק משום שחלבונים רבים המסונתזים בציטופלזמה אינם יכולים לעבור דרך הממברנה הכפולה של המיטוכונדריה. במקביל, האברונים הללו מייצרים אנרגיה, ולכן, אם יש תעלה או נשא ספציפי לחלבון, זה יספיק לתנועת מולקולות ונגד שיפוע הריכוז.
פלסמיד DNA ו-RNA
לפלסטידים (כלורופלסטים) יש גם DNA משלהם, שכנראה אחראי למימוש פונקציות דומות, כפי שקורה עם חומצות גרעין מיטוכונדריות. יש לו גם ריבוזומלי, שליח ו-RNA משלו. יתר על כן, פלסטידים, אם לשפוט לפי מספר הממברנות, ולא לפי מספר התגובות הביוכימיות, הם מסובכים יותר. קורה שלפלסטידים רבים יש 4 שכבות של ממברנות, מה שמוסבר על ידי מדענים בדרכים שונות.
דבר אחד ברור: הפונקציות של חומצות גרעין בתא עדיין לא נחקרו במלואן. לא ידוע מה המשמעות של מערכת סינתזת החלבונים המיטוכונדריאלית והמערכת הכלורופלסטית האנלוגית. גם לא לגמרי ברור מדוע תאים זקוקים לחומצות גרעין מיטוכונדריאליות אם חלבונים (כמובן שלא כולם) כבר מקודדים ב-DNA גרעיני (או ב-RNA, תלוי באורגניזם). למרות שכמה עובדות מאלצות אותנו להסכים שמערכת סינתזת החלבון של מיטוכונדריה וכלורופלסטים אחראית לאותן פונקציות כמוו-DNA של הגרעין ו-RNA של הציטופלזמה. הם מאחסנים מידע תורשתי, משכפלים אותו ומעבירים אותו לתאי בת.
CV
חשוב להבין אילו פונקציות בתא מבצעות חומצות גרעין ממקור גרעיני, פלסטידי ומיטוכונדריאלי. זה פותח אפשרויות רבות למדע, מכיוון שניתן לשחזר היום את המנגנון הסימביוטי, שלפיו הופיעו אורגניזמים אוטוטרופיים רבים. זה יאפשר להשיג סוג חדש של תא, אולי אפילו אנושי. למרות שמוקדם מדי לדבר על הסיכויים להחדרת אברונים פלסטידיים רב-ממברניים לתאים.
הרבה יותר חשוב להבין שחומצות גרעין אחראיות כמעט לכל התהליכים בתא. זוהי גם ביוסינתזה של חלבון וגם שימור מידע על מבנה התא. יתרה מכך, חשוב הרבה יותר שחומצות גרעין יבצעו את הפונקציה של העברת חומר תורשתי מתאי אב לתאי בת. זה מבטיח את המשך הפיתוח של תהליכים אבולוציוניים.
