Funcțiile diferitelor tipuri de ARN în celulă. Ce sunt ADN-ul și ARN-ul în biologie? Ce sunt ADN-ul și ARN-ul

Prezent în molecula de ARN în loc de timină. Nucleotidele ARN conțin riboză în loc de deoxiriboză. Într-un lanț de ARN, nucleotidele sunt conectate prin legături covalente între riboza unei nucleotide și restul de acid fosforic al alteia.

În organism, ARN-ul se găsește sub formă de complexe cu proteine ​​- ribonucleoproteine.

Sunt cunoscute 2 tipuri de molecule de ARN:

1) ARN-ul dublu catenar este caracteristic unor virusuri - servesc la stocarea și reproducerea informațiilor ereditare (îndeplinesc funcțiile cromozomilor).

2) În majoritatea celulelor, ARN-urile monocatenar efectuează transferul de informații despre secvența de aminoacizi din proteine ​​de la cromozom la ribozom.

ARN-urile monocatenar au organizarea spațială: datorită interacțiunii bazelor azotate între ele, precum și cu fosfații și hidroxilii scheletului zahăr-fosfat, lanțul se pliază într-o structură compactă de tip globule. Funcție: transfer de la cromozom la ribozom informații despre secvența AK din proteinele care trebuie sintetizate.

Există mai multe tipuri de ARN monocatenar în funcție de funcția sau locația lor în celulă:

1. ARN ribozomal (ARNr) alcătuiește cea mai mare parte a ARN-ului din citoplasmă (80-90%). Dimensiuni 3000-5000 perechi de baze. Structura secundară este sub formă de agrafe de păr cu elicoidal dublu. ARN-r este o componentă structurală a ribozomilor - organele celulare în care are loc sinteza proteinelor. Ribozomii sunt localizați în citoplasmă, nucleol, mitocondrii și cloroplaste. Ele constau din două subunități - mari și mici. Subunitatea mică este formată dintr-o moleculă de ARNr și 33 de molecule de proteine, subunitatea mare - 3 molecule de ARNr și 50 de proteine. Proteinele ribozomale îndeplinesc funcții enzimatice și structurale.

Funcțiile ARNr:

1) componentă structurală ribozomi- integritatea lor este necesară pentru biosinteza proteinelor;

2) asigura legarea corectă a ribozomului la m-ARN;

3) asigura legarea corectă a ribozomului la t-ARN;

2. Matrice (ARNm) - 2-6% din cantitatea totală de ARN.

Constă din secțiuni:

1) cistroni - determină secvența de aminoacizi din proteinele pe care le codifică și au o secvență unică de nucleotide;

2) regiunile netraduse sunt situate la capetele moleculei și au modele generale de compoziție nucleotidică.

Capul - o structură specială la capătul 5′ al m-ARN - este 7-metilguanozin trifosfat, format enzimatic în timpul transcripției.

Funcții capac:

1) protejează capătul 5′ de scindarea de către exonucleaze,

2) este utilizat pentru recunoașterea specifică a m-ARN în timpul translației.

Regiunea precistronică netradusă - 3-15 nucleotide. Funcție: asigurarea interacțiunii corecte a capătului 5′ al m-ARN-ului cu ribozomul.

Cistron: conține codoni de inițiere și terminare - secvențe speciale de nucleotide responsabile de începutul și sfârșitul transferului de informații de la un cistron dat.

Regiunea postcistronică netradusă - situată la capătul 3′, conține o hexanucleotidă (adesea AAUAAA) și un lanț de 20-250 de nucleotide adenil. Funcție - menținerea stabilității intracelulare a m-ARN.

3. ARN de transfer (ARNt) - 15% din ARN total, constă din 70-93 perechi de nucleotide. Funcție: transferul unui aminoacid la locul sintezei proteinelor; ei „recunosc” (prin principiul complementarității) regiunea ARNm corespunzătoare aminoacidului transferat. Pentru fiecare dintre cele 20 de AA există tARN-uri specifice (de obicei, mai mult de unul). Toate ARNt-urile au o structură complexă, reprezentată sub forma unei frunze de trifoi.

Frunza de trifoi conține 5 secțiuni:

1) Capătul 3′ - ramura acceptor (reziduul AK este atașat aici printr-o legătură eterică),

2) ramura antikidon - situată vizavi de situsul acceptor, constă din trei nucleotide nepereche (având legături libere) (anticodon) și în mod specific perechi (antiparalele, complementare) cu codonul m-ARN.

Codon- un set de 3 nucleotide (triplet) în m-ARN, care determină locul acestui aminoacid în lanțul polipeptidic sintetizat. Aceasta este o unitate de cod genetic cu ajutorul căreia toată informația genetică este „înregistrată” în moleculele de ADN și ARN.

3) Ramura T (bucla de pseudouredină - conține pseudouredină) - o secțiune care se atașează la ribozom.

4) Ramura D (buclă dehidrouredină - conține dehidrouredină) - secțiune care asigură interacțiunea cu enzima aminoacil-ARNt sintetaza corespunzătoare aminoacidului.

5) ramură mică suplimentară. Funcțiile nu au fost încă studiate.

6) ARN nuclear (ARNn) - o componentă a nucleului celular. Polimer scăzut, stabil, al cărui rol este încă neclar.

Toate tipurile de ARN sunt sintetizate în nucleul celulei pe o matrice de ADN sub acțiunea enzimelor polimerazele. În acest caz, se formează o secvență de ribonucleotide care este complementară cu secvența dezoxiribonucleotidelor din ADN - acesta este procesul de transcripție.

Diverse tipuri de ADN și ARN - acizi nucleici - sunt unul dintre obiectele de studiu ale biologiei moleculare. Una dintre cele mai promițătoare și în curs de dezvoltare rapidă în această știință în ultimii ani a fost studiul ARN-ului.

Pe scurt despre structura ARN-ului

Deci, ARN, acid ribonucleic, este un biopolimer, a cărui moleculă este un lanț format din patru tipuri de nucleotide. Fiecare nucleotidă, la rândul său, constă dintr-o bază azotată (adenină A, guanină G, uracil U sau citozină C) combinată cu zahărul riboză și un reziduu de acid fosforic. Reziduurile de fosfat, combinate cu riboza nucleotidelor învecinate, „reticulă” blocurile constitutive ale ARN într-o macromoleculă - o polinucleotidă. Acesta este modul în care se formează structura primară a ARN-ului.

Structura secundară - formarea unui lanț dublu - se formează în unele părți ale moleculei în conformitate cu principiul complementarității bazelor azotate: adenina formează o pereche cu uracil printr-o dublă, iar guanina cu citozină - o legătură triplă de hidrogen.

În forma sa de lucru, molecula de ARN formează și o structură terțiară - o structură spațială specială, conformație.

sinteza ARN

Toate tipurile de ARN sunt sintetizate folosind enzima ARN polimeraza. Poate fi dependent de ADN și ARN, adică poate cataliza sinteza atât pe șablonele ADN, cât și pe ARN.

Sinteza se bazează pe complementaritatea de bază și direcția antiparalelă a citirii codului genetic și se desfășoară în mai multe etape.

În primul rând, ARN polimeraza este recunoscută și se leagă de o secvență specială de nucleotide de pe ADN - promotorul, după care spirala dublă a ADN-ului se desfășoară într-o zonă mică și asamblarea unei molecule de ARN începe pe unul dintre lanțuri, numit șablon. alt lanț de ADN se numește codificare - copia sa este ARN-ul sintetizat). Asimetria promotorului determină care catenă de ADN va servi ca șablon și, prin urmare, permite ARN polimerazei să inițieze sinteza în direcția corectă.

Următoarea etapă se numește alungire. Complexul de transcripție, incluzând ARN polimeraza și regiunea nerăsucită cu hibridul ADN-ARN, începe să se miște. Pe măsură ce această mișcare continuă, lanțul de ARN în creștere se separă treptat, iar spirala dublă ADN se desfășoară în fața complexului și este restaurată în spatele acestuia.

Etapa finală a sintezei are loc atunci când ARN polimeraza atinge o regiune specială a șablonului numită terminator. Terminarea (finalizarea) procesului poate fi realizată în diferite moduri.

Principalele tipuri de ARN și funcțiile lor în celule

Acestea sunt după cum urmează:

• Matrice sau informație (ARNm). Prin intermediul acestuia se realizează transcripția - transferul informațiilor genetice din ADN.
• Ribozomal (ARNr), care asigură procesul de translație – sinteza proteinelor pe o matrice de ARNm.
• Transport (ARNt). Recunoaște și transportă aminoacizii la ribozom, unde are loc sinteza proteinelor și, de asemenea, participă la traducere.
• ARN-urile mici sunt o clasă mare de molecule mici care îndeplinesc diferite funcții în timpul proceselor de transcripție, maturare ARN și translație.
• Genomii ARN sunt secvențe de codificare care conțin informații genetice în unii viruși și viroizi.

În anii 1980, a fost descoperită activitatea catalitică a ARN-ului. Moleculele cu această proprietate se numesc ribozime. Nu sunt cunoscute încă multe ribozime naturale; capacitatea lor catalitică este mai mică decât cea a proteinelor, dar în celulă îndeplinesc funcții extrem de importante. În prezent, se lucrează cu succes asupra sintezei ribozimelor, care au și semnificație practică.

Să aruncăm o privire mai atentă asupra diferitelor tipuri de molecule de ARN.

ARN mesager (mesager).

Această moleculă este sintetizată pe o secțiune nerăsucită a ADN-ului, copiend astfel gena care codifică o anumită proteină.

ARN-ul celulelor eucariote, înainte de a deveni, la rândul său, o matrice pentru sinteza proteinelor, trebuie să se maturizeze, adică să treacă printr-un complex de diverse modificări - procesare.

În primul rând, chiar și în stadiul de transcripție, molecula este acoperită: o structură specială a uneia sau mai multor nucleotide modificate - un capac - este atașată la capătul său. Joacă un rol important în multe procese din aval și crește stabilitatea ARNm. Așa-numita coadă poli(A), o secvență de nucleotide de adenină, este atașată la celălalt capăt al transcriptului primar.

Pre-ARNm este apoi supus splicing. Aceasta este îndepărtarea din moleculă a regiunilor necodante - introni, dintre care există mulți în ADN-ul eucariot. În continuare, are loc procedura de editare a ARNm, în timpul căreia compoziția sa este modificată chimic, precum și metilarea, după care ARNm matur părăsește nucleul celulei.

ARN ribozomal

Baza ribozomului, un complex care asigură sinteza proteinelor, este alcătuită din două ARNr lungi, care formează subparticule ribozomale. Ele sunt sintetizate împreună sub forma unui pre-ARNr, care este apoi separat în timpul procesării. Subparticula mare include, de asemenea, ARNr cu greutate moleculară mică, sintetizat dintr-o genă separată. ARN-urile ribozomale au o structură terțiară strânsă care servește drept schelă pentru proteinele prezente în ribozom care îndeplinesc funcții auxiliare.

În faza inactivă, subunitățile ribozomale sunt separate; Când procesul de translație este inițiat, ARNr-ul subparticulei mici se combină cu ARN-ul mesager, după care elementele ribozomului sunt complet combinate. Când ARN-ul unei subunități mici interacționează cu ARNm, acesta din urmă este tras prin ribozom (care este echivalent cu mișcarea ribozomului de-a lungul ARNm). ARN-ul ribozomal al subunității mari este o ribozimă, adică are proprietăți enzimatice. Catalizează formarea de legături peptidice între aminoacizi în timpul sintezei proteinelor.

Trebuie remarcat faptul că cea mai mare parte a întregului ARN dintr-o celulă este ribozomal - 70-80%. ADN-ul are un număr mare de gene care codifică ARNr, ceea ce asigură o transcripție foarte intensă.

Transfer ARN

Această moleculă este recunoscută de un aminoacid specific cu ajutorul unei enzime speciale și, conectându-se cu aceasta, transportă aminoacidul la ribozom, unde servește ca intermediar în procesul de translație - sinteza proteinelor. Transferul are loc prin difuzie în citoplasma celulei.

Moleculele de ARNt nou sintetizate, ca și alte tipuri de ARN, sunt supuse procesării. ARNt matur în forma sa activă are o conformație asemănătoare cu frunzele de trifoi. Pe „petiolul” frunzei - situsul acceptor - există o secvență CCA cu o grupare hidroxil care se leagă de aminoacid. La capătul opus al „frunzei” se află o buclă de anticodon care se leagă de codonul complementar de pe ARNm. Bucla D servește la legarea ARN-ului de transfer la enzimă atunci când interacționează cu un aminoacid, iar bucla T servește la legarea de subunitatea mare a ribozomului.

ARN-uri mici

Aceste tipuri de ARN joacă un rol important în procesele celulare și sunt acum studiate în mod activ.

De exemplu, ARN-urile nucleare mici din celulele eucariote sunt implicate în splicing-ul ARNm și, posibil, au proprietăți catalitice împreună cu proteinele spliceosomale. ARN-urile nucleolare mici sunt implicate în procesarea ARN-ului ribozomal și de transfer.

Interferențele mici și microARN-urile sunt cele mai importante elemente ale sistemului de reglare a expresiei genice necesare celulei pentru a-și controla propria structură și funcțiile vitale. Acest sistem este o parte importantă a răspunsului imun antiviral al celulei.

Există, de asemenea, o clasă de ARN-uri mici care funcționează în complex cu proteinele Piwi. Aceste complexe joacă un rol imens în dezvoltarea celulelor germinale, spermatogeneză și suprimarea elementelor genetice mobile.

genomul ARN

Molecula de ARN poate fi folosită ca genom de majoritatea virusurilor. Genomii virali pot fi diferiți - monocatenar sau dublu, circulari sau liniari. De asemenea, genomul virusului ARN este adesea segmentat și, în general, mai scurt decât genomul ADN.

Există o familie de viruși a căror informație genetică, codificată în ARN, după infectarea unei celule este transcrisă invers în ADN, care este apoi introdus în genomul celulei victime. Acestea sunt așa-numitele retrovirusuri. Acestea includ, în special, virusul imunodeficienței umane.

Importanța cercetării ARN în știința modernă

Dacă anterior opinia predominantă era că ARN-ul a jucat un rol minor, acum este clar că este un element necesar și esențial al vieții intracelulare. Multe procese de importanță primordială nu pot avea loc fără participarea activă a ARN-ului. Mecanismele unor astfel de procese au rămas necunoscute mult timp, dar datorită studiului diferitelor tipuri de ARN și a funcțiilor acestora, multe detalii devin treptat mai clare.

Este posibil ca ARN-ul să fi jucat un rol decisiv în apariția și dezvoltarea vieții în zorii istoriei Pământului. Rezultatele unor studii recente susțin această ipoteză, indicând vechimea extraordinară a multor mecanisme de funcționare celulară care implică anumite tipuri de ARN. De exemplu, riboswitch-urile recent descoperite în ARNm (un sistem de reglare fără proteine ​​a activității genelor în stadiul de transcripție), conform multor cercetători, sunt ecouri ale epocii în care viața primitivă a fost construită pe baza ARN-ului, fără participarea. de ADN și proteine. MicroARN-urile sunt, de asemenea, considerate a fi o componentă foarte veche a sistemului de reglementare. Caracteristicile structurale ale ARNr activ catalitic indică evoluția sa treptată prin adăugarea de noi fragmente la protoribozomul antic.

Un studiu amănunțit al tipurilor de ARN și al modului în care acestea sunt implicate în anumite procese este, de asemenea, extrem de important pentru domeniile teoretice și aplicate ale medicinei.

Și uracil (spre deosebire de ADN, care conține timină în loc de uracil). Aceste molecule se găsesc în celulele tuturor organismelor vii, precum și în unele viruși.

Principalele funcții ale ARN-ului în organismele celulare sunt ca șablon pentru traducerea informațiilor genetice în proteine ​​și furnizarea de aminoacizi corespunzători ribozomilor. În viruși, este purtător de informații genetice (codifică proteinele anvelopei și enzimele virale). Viroidii constau dintr-o moleculă circulară de ARN și nu conțin alte molecule. Există Ipoteza lumii ARN, conform căreia ARN-ul a apărut înaintea proteinelor și au fost primele forme de viață.

ARN-ul celular este produs printr-un proces numit transcriere, adică sinteza ARN pe o matrice ADN, realizată de enzime speciale - ARN polimeraze. ARN-urile mesager (ARNm) participă apoi la un proces numit traducere. Difuzare - aceasta este sinteza proteinei pe o matrice ARNm cu participarea ribozomilor. Alte ARN-uri suferă modificări chimice după transcripție, iar după formarea structurilor secundare și terțiare, îndeplinesc funcții în funcție de tipul de ARN.

ARN monocatenar este caracterizat de diferite structuri spațiale în care unele dintre nucleotidele aceluiași lanț sunt împerecheate între ele. Unii ARN-uri foarte structurați iau parte la sinteza proteinelor celulare, de exemplu, ARN-urile de transfer servesc la recunoașterea codonilor și la livrarea aminoacizilor corespunzători la locul sintezei proteinelor, iar ARN-ul mesager servește ca bază structurală și catalitică a ribozomilor.

Cu toate acestea, funcțiile ARN-ului în celulele moderne nu se limitează la rolul lor în traducere. Astfel, ARNm-urile sunt implicate în ARN-urile mesager eucariote și în alte procese.

Pe lângă faptul că moleculele de ARN fac parte din unele enzime (de exemplu, telomeraza), s-a descoperit că ARN-urile individuale au propria activitate enzimatică, capacitatea de a introduce pauze în alte molecule de ARN sau, dimpotrivă, de a „lipi” două. fragmente de ARN împreună. Aceste ARN-uri sunt numite ribozime.

O serie de virusuri constau din ARN, adică în ei joacă rolul pe care îl îndeplinește ADN-ul în organismele superioare. Pe baza diversității funcțiilor ARN din celule, s-a emis ipoteza că ARN-ul este prima moleculă capabilă de auto-reproducere în sistemele prebiologice.

Istoria cercetării ARN

Acizii nucleici au fost descoperiți în 1868 Omul de știință elvețian Johann Friedrich Miescher, care a numit aceste substanțe „nucleină” deoarece au fost găsite în nucleu (nucleu latin). Ulterior s-a descoperit că celulele bacteriene, care nu au nucleu, conțin și acizi nucleici.

Importanța ARN-ului în sinteza proteinelor a fost sugerată în 1939în opera lui Thorburn Oskar Kaspersson, Jean Brachet și Jack Schultz. Gerard Mairbucks a izolat primul ARN mesager care codifică hemoglobina de iepure și a arătat că atunci când a fost introdus în ovocite, s-a format aceeași proteină.

În Uniunea Sovietică în 1956-57 Au fost efectuate lucrări (A. Belozersky, A. Spirin, E. Volkin, F. Astrakhan) pentru a determina compoziția celulelor ARN, ceea ce a condus la concluzia că cea mai mare parte a ARN dintr-o celulă este formată din ARN ribozomal.

ÎN 1959 Severo Ochoa a primit Premiul Nobel pentru Medicină pentru descoperirea mecanismului sintezei ARN-ului. Secvența de 77 de nucleotide a unuia dintre ARNt-urile de drojdie S. cerevisiae a fost determinată în 1965în laboratorul lui Robert Hall, pentru care 1968 a primit Premiul Nobel pentru Medicină.

ÎN 1967 Carl Woese a sugerat că ARN-urile au proprietăți catalitice. El a prezentat așa-numita Ipoteza Mondială a ARN, în care ARN-urile proto-organismelor au servit atât ca molecule de stocare a informațiilor (acum acest rol este îndeplinit de ADN), cât și ca molecule care catalizau reacțiile metabolice (acum acest lucru este făcut de enzime).

ÎN 1976 Walter Faers și grupul său de la Universitatea din Gent (Olanda) au determinat pentru prima dată secvența genomului ARN conținut de virus, bacteriofagul MS2.

La început anii 1990 S-a constatat că introducerea de gene străine în genomul plantei duce la suprimarea exprimării genelor similare de plante. Aproximativ în același timp, ARN-urile de aproximativ 22 de baze, numite acum microARN, s-au dovedit că joacă un rol de reglementare în ontogeneza viermilor rotunzi.

Ipoteza despre importanța ARN-ului în sinteza proteinelor a fost prezentată de Torbjörn Caspersson pe baza cercetărilor 1937-1939., în urma căruia s-a demonstrat că celulele care sintetizează activ proteine ​​​​conțin o cantitate mare de ARN. Confirmarea ipotezei a fost obținută de Hubert Chantrenne.

Caracteristicile structurii ARN

Nucleotidele ARN constau dintr-un zahăr - riboză, de care una dintre baze este atașată în poziția 1: adenină, guanină, citozină sau uracil.Grupul fosfat combină riboza într-un lanț, formând legături cu atomul de carbon de 3" al unei riboze și la poziția de 5" a altuia. Grupările fosfat sunt încărcate negativ la pH fiziologic, deci ARN poate fi numit polianion.

ARN-ul este transcris ca un polimer format din patru baze (adenina (A), guanina (G), uracil (U) și citozină (C)), dar ARN-ul matur are multe baze și zaharuri modificate. În total, există aproximativ 100 de tipuri diferite de nucleozide modificate în ARN, dintre care:
-2"-O-metilriboză cea mai comună modificare a zahărului;
- Pseudouridină- baza cel mai frecvent modificată care se găsește cel mai des. În pseudouridină (Ψ), legătura dintre uracil și riboză nu este C - N, ci C - C, această nucleotidă apare în poziții diferite în moleculele de ARN. În special, pseudouridina este importantă pentru funcția ARNt.

O altă bază modificată care merită menționată este hipoxantina, guanina dezaminată, a cărei nucleozidă se numește inozină. Inozina joacă un rol important în asigurarea degenerării codului genetic.

Rolul multor alte modificări nu este pe deplin înțeles, dar în ARN-ul ribozomal multe modificări post-transcripționale sunt localizate în regiuni importante pentru funcționarea ribozomului. De exemplu, pe una dintre ribonucleotidele implicate în formarea unei legături peptidice. Bazele azotate din ARN pot forma legături de hidrogen între citozină și guanină, adenină și uracil și între guanină și uracil. Cu toate acestea, sunt posibile și alte interacțiuni, de exemplu, mai multe adenine pot forma o buclă, sau o buclă constând din patru nucleotide, în care există o pereche de baze adenină-guanină.

O caracteristică structurală importantă a ARN-ului care îl deosebește de ADN este prezența unei grupări hidroxil în poziția de 2" a ribozei, care permite moleculei de ARN să existe în conformația A mai degrabă decât în ​​conformația B, care este cel mai adesea observată în ADN. În forma A există un șanț major adânc și îngust și un șanț minor superficial și larg. A doua consecință a prezenței unei grupări hidroxil de 2" este aceea conformațională plastică, adică regiuni ale moleculei de ARN care nu iau parte la formarea dublei helix, poate ataca chimic alte legături de fosfat și le poate scinda.

Forma „de lucru” a unei molecule de ARN monocatenar, precum proteinele, are adesea structura tertiara. Structura terțiară se formează pe baza elementelor de structură secundară, formate prin legături de hidrogen dintr-o moleculă. Există mai multe tipuri de elemente de structură secundară - bucle-tulpină, bucle și pseudonoduri. Datorită numărului mare de perechi de baze posibile, prezicerea structurii secundare a ARN-ului este o sarcină mult mai dificilă decât structurile proteinelor, dar acum există programe eficiente, cum ar fi mfold.

Un exemplu de dependență a funcțiilor moleculelor de ARN de structura lor secundară este situsurile interne de intrare în ribozom (IRES). IRES este o structură la capătul de 5" al ARN-ului mesager, care asigură atașarea unui ribozom, ocolind mecanismul obișnuit de inițiere a sintezei proteinelor; necesită prezența unei baze speciale modificate (capac) la capătul de 5" și inițierea proteinei. factori. IRES au fost descoperite pentru prima dată în ARN-urile virale, dar există tot mai multe dovezi că mRNA-urile celulare utilizează, de asemenea, un mecanism de inițiere dependent de IRES în condiții de stres. Multe tipuri de ARN, de exemplu, ARNr și ARNsn (ARNsn) din celulă funcționează sub formă de complexe cu proteine ​​care se asociază cu moleculele de ARN după sinteza lor sau (y) exportul din nucleu în citoplasmă. Astfel de complexe ARN-proteină se numesc complexe ribonucleoproteice sau ribonucleoproteine.

Acid ribonucleic mesager (ARNm, sinonim - ARN mesager, ARNm)- ARN, responsabil cu transferul de informații despre structura primară a proteinelor de la ADN la locurile de sinteză a proteinelor. ARNm este sintetizat din ADN în timpul transcripției, după care, la rândul său, este utilizat în timpul translației ca șablon pentru sinteza proteinelor. Astfel, ARNm joacă un rol important în „manifestare” (expresie).
Lungimea unui ARNm matur tipic variază de la câteva sute la câteva mii de nucleotide. Cele mai lungi ARNm au fost observate în virușii care conțin ssRNA (+), cum ar fi picornavirusurile, dar trebuie amintit că în acești virusuri ARNm formează întregul lor genom.

Marea majoritate a ARN-urilor nu codifică proteine. Aceste ARN-uri necodificatoare pot fi transcrise din gene individuale (de exemplu, ARN-uri ribozomale) sau derivate din introni. Tipurile clasice, bine studiate, de ARN necodificatori sunt ARN-urile de transfer (ARNt) și ARNr-urile, care sunt implicate în procesul de traducere. Există, de asemenea, clase de ARN responsabile pentru reglarea genelor, procesarea ARNm și alte roluri. În plus, există molecule de ARN necodante care pot cataliza reacții chimice, cum ar fi tăierea și legarea moleculelor de ARN. Prin analogie cu proteinele capabile să catalizeze reacții chimice - enzime (enzime), moleculele de ARN catalitic sunt numite ribozime.

Transport (ARNt)- mici, formate din aproximativ 80 de nucleotide, molecule cu structură terţiară conservatoare. Ei transportă aminoacizi specifici la locul sintezei legăturii peptidice din ribozom. Fiecare ARNt conține un situs pentru atașarea aminoacizilor și un anticodon pentru recunoaștere și atașarea la codonul ARNm. Antidonul formează legături de hidrogen cu codonul, care plasează ARNt într-o poziție care favorizează formarea unei legături peptidice între ultimul aminoacid al peptidei formate și aminoacidul atașat la ARNt.

ARN ribozomal (ARNr)- componenta catalitică a ribozomilor. Ribozomii eucarioți conțin patru tipuri de molecule de ARNr: 18S, 5.8S, 28S și 5S. Trei dintre cele patru tipuri de ARNr sunt sintetizate pe polizomi. În citoplasmă, ARN-urile ribozomale se combină cu proteinele ribozomale pentru a forma nucleoproteine ​​numite ribozomi. Ribozomul se atașează de ARNm și sintetizează proteina. ARNr reprezintă până la 80% din ARN și se găsește în citoplasma unei celule eucariote.

Un tip neobișnuit de ARN care acționează ca ARNt și ARNm (ARNtm) se găsește în multe bacterii și plastide. Când ribozomul se oprește la ARNm defecte fără codoni stop, ARNtm atașează o peptidă mică care direcționează proteina spre degradare.

MicroARN (21-22 nucleotide lungime) găsite la eucariote și afectează prin mecanismul interferenței ARN. În acest caz, un complex de microARN și enzime poate duce la metilarea nucleotidelor din ADN-ul promotorului genei, care servește ca semnal pentru reducerea activității genei. Când se utilizează un alt tip de reglare, ARNm complementar microARN este degradat. Cu toate acestea, există și miARN-uri care cresc mai degrabă decât scad expresia genelor.

ARN mic de interferență (ARNsi, 20-25 nucleotide) sunt adesea formate ca urmare a scindării ARN-urilor virale, dar există și miARN-uri celulare endogene. ARN-urile mici de interferență acționează și prin interferența ARN prin mecanisme similare cu microARN-urile.

Comparație cu ADN-ul

Există trei diferențe principale între ADN și ARN:

1 . ADN-ul conține zahăr dezoxiriboză, ARN-ul conține riboză, care are o grupare hidroxil suplimentară în comparație cu deoxiriboză. Acest grup crește probabilitatea de hidroliză a moleculei, adică reduce stabilitatea moleculei de ARN.

2. Nucleotida complementară adeninei din ARN nu este timina, ca în ADN, dar uracilul este forma nemetilată a timinei.

3. ADN-ul există sub forma unui dublu helix, format din două molecule separate. Moleculele de ARN sunt, în medie, mult mai scurte și predominant monocatenar. Analiza structurală a moleculelor de ARN biologic activ, incluzând ARNt, ARNsn ARNr și alte molecule care nu codifică proteine, a arătat că acestea nu constau dintr-o singură helix lungă, ci din numeroase elice scurte situate aproape una de alta și formând ceva similar cu un structura proteinelor terțiare. Ca rezultat, ARN-ul poate cataliza reacții chimice; de ​​exemplu, centrul peptida transferazei al ribozomului, care este implicat în formarea legăturilor peptidice între proteine, este format în întregime din ARN.

Caracteristici Caracteristici:

1. Prelucrare

Mulți ARN sunt implicați în modificarea altor ARN. Intronii sunt excizați din pro-ARNm de către spliceozomi, care, pe lângă proteine, conțin mai mulți ARN nucleari mici (ARNs). În plus, intronii își pot cataliza propria excizie. ARN-ul sintetizat ca urmare a transcripției poate fi, de asemenea, modificat chimic. La eucariote, modificările chimice ale nucleotidelor ARN, de exemplu, metilarea lor, sunt efectuate de ARN-uri nucleare mici (ARNsn, 60-300 de nucleotide). Acest tip de ARN este localizat în nucleol și corpuri Cajal. După ce snRNA se asociază cu enzimele, snRNA se leagă de ARN-ul țintă formând perechi de baze între cele două molecule, iar enzimele modifică nucleotidele ARN-ului țintă. ARN-urile ribozomale și de transfer conțin multe astfel de modificări, a căror poziție specifică este adesea conservată în timpul evoluției. SnRNA-urile și snRNA-urile în sine pot fi, de asemenea, modificate.

2. Difuzare

TARN atașează anumiți aminoacizi în citoplasmă și este trimis la locul de sinteză a proteinelor pe ARNm unde se leagă de un codon și eliberează un aminoacid care este utilizat pentru sinteza proteinelor.

3. Funcția de informare

În unele viruși, ARN-ul îndeplinește aceleași funcții pe care le îndeplinește ADN-ul la eucariote. De asemenea, o funcție informațională este îndeplinită de ARNm, care transportă informații despre proteine ​​și este locul sintezei acesteia.

4. Reglarea genelor

Unele tipuri de ARN sunt implicate în reglarea genelor prin creșterea sau scăderea activității acesteia. Acestea sunt așa-numitele miARN (ARN-uri de interferență mici) și microARN.

5. Cataliticfuncţie

Există așa-numitele enzime care aparțin ARN-ului, se numesc ribozime. Aceste enzime îndeplinesc diferite funcții și au o structură unică.

Asamblarea unei molecule de ARN din nucleotide apare sub acţiunea ARN polimerazei. Această enzimă este o proteină mare care are o serie de proprietăți necesare în diferite etape ale sintezei moleculei de ARN.
1. Pe o catenă de ADN La începutul fiecărei gene se află o secvență de nucleotide numită promotor. Enzima ARN polimerază poartă situsuri de recunoaștere și de legare complementare la promotor. Legarea acestei enzime la acest situs este necesară pentru a iniția asamblarea moleculei de ARN.

2. După conectarea cu promotor de ARN polimerază desfășoară helixul ADN-ului într-o secțiune care ocupă aproximativ două ture, ceea ce duce la divergența lanțurilor ADN din această secțiune.

3. ARN polimerazaîncepe să se miște de-a lungul lanțului ADN, provocând derularea temporară și divergența celor două lanțuri ale sale. Pe măsură ce această mișcare progresează, în fiecare etapă se adaugă o nouă nucleotidă activată la capătul lanțului de ARN în creștere. Procesul decurge astfel:
a) mai întâi, se formează o legătură de hidrogen între baza azotată a nucleotidei ADN terminale și baza azotată a nucleotidei ARN provenind din carioplasmă;
b) apoi ARN polimeraza scindează secvenţial doi fosfaţi din fiecare nucleotidă de ARN, eliberând o cantitate mare de energie la ruperea legăturilor de fosfat de înaltă energie, care duce imediat la formarea unei legături covalente între fosfatul rămas al nucleotidei ARN şi riboza terminală. al lanțului de ARN în creștere;

c) când ARN polimeraza ajunge la capătul genei de-a lungul lanțului ADN, ea interacționează cu o secvență de nucleotide, care se numește secvență de terminare; Ca rezultat al acestei interacțiuni, ARN polimeraza și molecula de ARN nou sintetizată sunt detașate din lanțul de ADN. După aceasta, ARN polimeraza poate fi folosită din nou pentru a sintetiza noi molecule de ARN;
d) legăturile slabe de hidrogen dintre molecula de ARN nou sintetizată și matrița de ADN sunt rupte, iar legătura dintre catenele complementare de ADN este restabilită, deoarece afinitatea dintre ele este mai mare decât între ADN și ARN. Astfel, lanțul de ARN este separat de ADN, rămânând în carioplasmă.

Astfel codul genetic, " înregistrate„pe ADN, este transferat complementar la catena de ARN. În acest caz, ribonucleotidele pot forma numai următoarele combinații cu dezoxiribonucleotidele.

Atașarea unei ribonucleotide la un lanț de ADN în timpul asamblarii ARN, care transportă codul genetic de la gene la citoplasmă.
Enzima ARN polimeraza se deplasează de-a lungul catenei de ADN și asigură asamblarea ARN-ului.

Tipuri și tipuri de celule ARN

Există trei tipuri de ARN, fiecare dintre acestea joacă un rol specific în sinteza proteinelor.
1. ARN mesager transferă codul genetic din nucleu în citoplasmă, determinând astfel sinteza diferitelor proteine.
2. ARN de transfer transportă aminoacizi activați la ribozomi pentru sinteza moleculelor polipeptidice.
3. ARN-ul ribozomal, în combinație cu aproximativ 75 de proteine ​​diferite, formează ribozomi - organele celulare pe care sunt asamblate moleculele polipeptidice.

Este o moleculă lungă cu un singur lanț prezentă în citoplasmă. Această moleculă de ARN conține de la câteva sute la câteva mii de nucleotide ARN, formând codoni strict complementari tripleților ADN.

Un fragment al unei molecule de ARN care conține trei codoni - CCG, UCU și GAA,
care asigură atașarea a trei aminoacizi - prolină, serină și respectiv acid glutamic la molecula proteică în creștere.
Mișcarea unei molecule de ARN mesager de-a lungul a doi ribozomi.
Pe măsură ce codonul trece de-a lungul suprafeței ribozomului, aminoacidul corespunzător este atașat de lanțul polipeptidic în creștere (prezentat lângă ribozomul drept).
ARN-urile de transfer furnizează aminoacizi în lanțul polipeptidic în creștere.

Un alt tip de ARN, care joacă un rol critic în sinteza proteinelor, se numește ARN de transport deoarece transportă aminoacizi la molecula de proteină aflată în construcție. Fiecare ARN de transfer se leagă în mod specific doar de unul dintre cei 20 de aminoacizi care alcătuiesc moleculele de proteine. ARN-urile de transfer acționează ca purtători ai aminoacizilor specifici, livrându-i ribozomilor pe care sunt asamblate moleculele polipeptidice.

Fiecare ARN de transfer specific recunoaște codonul „său” al ARN-ului mesager atașat la ribozom și furnizează aminoacidul corespunzător în poziția corespunzătoare în lanțul polipeptidic sintetizat.

Transfer de catenă de ARN mult mai scurt decât ARN-ul mesager, conținând doar aproximativ 80 de nucleotide și ambalat într-o formă de trifoi. La un capăt al ARN-ului de transfer există întotdeauna adenozin monofosfat (AMP), de care aminoacidul transportat este atașat prin gruparea hidroxil a ribozei.

Transfer ARN-uri servesc la atașarea aminoacizilor specifici la molecula polipeptidică în construcție, de aceea este necesar ca fiecare ARN de transfer să aibă specificitate pentru codonii corespunzători ai ARN-ului mesager. Codul prin care ARN-ul de transfer recunoaște codonul corespunzător de pe ARN-ul mesager este, de asemenea, un triplet și se numește anticodon. Antidonul este situat aproximativ în mijlocul moleculei de ARN de transfer.

În timpul sintezei proteinelor, bazele azotate ale anticodonului ARN de transfer sunt atașați folosind legături de hidrogen la bazele azotate ale codonului ARN mesager. Astfel, pe ARN-ul mesager, diverși aminoacizi sunt aliniați într-o anumită ordine, unul după altul, formând secvența de aminoacizi corespunzătoare a proteinei sintetizate.

Tipuri de ARN

Moleculele de ARN, spre deosebire de ADN, sunt structuri monocatenar. Structura ARN-ului este similară cu ADN-ul: baza este formată dintr-o coloană de zahăr-fosfat, de care sunt atașate bazele azotate.

Orez. 5.16. Structura ADN-ului și ARN-ului

Diferențele de structură chimică sunt următoarele: deoxiriboza prezentă în ADN este înlocuită cu o moleculă de riboză, iar timina este reprezentată de o altă pirimidină - uracil (Fig. 5.16, 5.18).

În funcție de funcțiile pe care le îndeplinesc, moleculele de ARN sunt împărțite în trei tipuri principale: informație sau matrice (ARNm), transport (ARNt) și ribozomal (ARNr).

Nucleul celulelor eucariote conține un al patrulea tip de ARN - ARN nuclear heterogen (ARNhn), care este o copie exactă a ADN-ului corespunzător.

Funcțiile ARN-ului

ARNm-urile transportă informații despre structura proteinei de la ADN la ribozomi (adică sunt o matrice pentru sinteza proteinelor;

ARNt-urile transferă aminoacizi la ribozomi; specificitatea acestui transfer este asigurată de faptul că există 20 de tipuri de ARNt care corespund la 20 de aminoacizi. (Fig. 5.17);

ARNr formează un complex cu proteinele dintr-un ribozom, în care are loc sinteza proteinelor;

ARNhn este o transcriere precisă a ADN-ului, care, suferind modificări specifice, este convertit (matur) în ARNm matur.

Moleculele de ARN sunt mult mai mici decât moleculele de ADN. Cel mai scurt este ARNt, format din 75 de nucleotide.

Orez. 5.17. Structura ARN de transfer

Orez. 5.18. Comparația dintre ADN și ARN

Idei moderne despre structura genei. Structura intron-exon la eucariote

Unitatea elementară a eredității este gena. Termenul „genă” a fost propus în 1909 de V. Johansen pentru a desemna unitatea materială a eredității, identificată de G. Mendel.

După munca geneticienilor americani J. Beadle și E. Tatum, genomul a început să fie numit o secțiune a unei molecule de ADN care codifică sinteza unei proteine.

Conform conceptelor moderne, o genă este considerată o secțiune a unei molecule de ADN caracterizată printr-o secvență specifică de nucleotide care determină secvența de aminoacizi a unui lanț polipeptidic al unei proteine ​​sau secvența de nucleotide a unei molecule de ARN funcționale (ARNt, ARNr) .

Secvențe de codificare relativ scurte de baze (exoni) ele alternează cu secvențe lungi necodante – introni, care sunt decupate ( îmbinare) în procesul de maturare a ARNm ( prelucrare) și nu participă la procesul de difuzare (Fig. 5.19).

Dimensiunea genelor umane poate varia de la câteva zeci de perechi de nucleotide (bp) la multe mii și chiar milioane de bp. Astfel, cea mai mică genă cunoscută conține doar 21 bp, iar una dintre cele mai mari gene are o dimensiune de peste 2,6 milioane bp.

Orez. 5.19. Structura ADN-ului eucariot

După încheierea transcripției, toate speciile de ARN sunt supuse maturizării ARN - prelucrare.Se prezintă îmbinare este procesul de îndepărtare a secțiunilor unei molecule de ARN corespunzătoare secvențelor intrronice de ADN. ARNm matur intră în citoplasmă și devine o matrice pentru sinteza proteinelor, adică. transportă informații despre structura proteinelor de la ADN la ribozomi (Fig. 5.19, 5.20).

Secvența de nucleotide din ARNr este similară în toate organismele. Tot ARNr este situat în citoplasmă, unde formează un complex cu proteine, formând un ribozom.

Pe ribozomi, informația criptată în structura ARNm este tradusă ( difuzat) în secvența de aminoacizi, adică are loc sinteza proteinelor.

Orez. 5.20. Îmbinare

5.6. Sarcina practică

Finalizați singur sarcina. Completați tabelul 5.1. Comparați structura, proprietățile și funcțiile ADN-ului și ARN-ului

Tabelul 5.1.

Comparația dintre ADN și ARN

Întrebări de testare

1. Molecula de ARN conține baze azotate:

2. Molecula de ATP conține:

a) adenina, deoxiriboza si trei resturi de acid fosforic

b) adenina, riboza si trei resturi de acid fosforic

c) adenozină, riboză și trei resturi de acid fosforic

d) adenozină, deoxiriboză și trei resturi de acid fosforic.

3. Gardianul eredității într-o celulă sunt moleculele de ADN, deoarece acestea codifică informații despre

a) compoziţia polizaharidelor

b) structura moleculelor de lipide

c) structura primară a moleculelor proteice

d) structura aminoacizilor

4. Moleculele de acid nucleic participă la implementarea informațiilor ereditare, furnizând

a) sinteza glucidelor

b) oxidarea proteinelor

c) oxidarea glucidelor

d) sinteza proteinelor

5. Cu ajutorul moleculelor de ARNm se transmite informații ereditare

a) de la nucleu la mitocondrie

b) de la o celulă la alta

c) de la nucleu la ribozom

d) de la părinți la urmași

6. Molecule de ADN

a) transferă informații despre structura proteinei către ribozomi

b) transferă informații despre structura proteinei către citoplasmă

c) furnizează aminoacizi la ribozomi

d) conțin informații ereditare despre structura primară a proteinei

7. Acizii ribonucleici din celule sunt implicați în

a) stocarea informațiilor ereditare

b) reglarea metabolismului grăsimilor

c) formarea glucidelor

d) biosinteza proteinelor

8. Care acid nucleic poate fi sub forma unei molecule dublu catenare

9. Constă dintr-o moleculă de ADN și o proteină

a) microtubuli

b) membrana plasmatica

c) nucleol

d) cromozomul A

10. Formarea caracteristicilor organismului depinde de molecule

b) proteine

11. Moleculele de ADN, spre deosebire de moleculele de proteine, au capacitatea

a) formează o spirală

b) formează o structură terţiară

c) autodublare

d) formează o structură cuaternară

12. Are propriul ADN

a) Complexul Golgi

b) lizozom

c) reticulul endoplasmatic

d) mitocondriile

13. Informațiile ereditare despre caracteristicile unui organism sunt concentrate în molecule

c) proteine

d) polizaharide

14. Moleculele de ADN reprezintă baza materială a eredității, deoarece codifică informații despre structura moleculelor

a) polizaharide

b) proteine

c) lipide

d) aminoacizi

15. Catenele polinucleotidice dintr-o moleculă de ADN sunt ținute împreună datorită legăturilor dintre acestea

a) baze azotate complementare

b) reziduuri de acid fosforic

c) aminoacizi

d) glucide

16. Constă dintr-o moleculă de acid nucleic combinată cu proteine

a) cloroplast

b) cromozom

d) mitocondriile

17. Fiecare aminoacid din celulă este codificat

a) un triplet

b) mai multe triplete

c) unul sau mai multe triplete

d) o nucleotidă

18. Datorită proprietății moleculei de ADN de a reproduce propriul fel

a) se formează adaptarea organismului la mediul său

b) apar modificări la indivizii speciei

c) apar noi combinaţii de gene

d) are loc un transfer de informații ereditare de la celula mamă la celulele fiice

19. Fiecare moleculă din celulă este criptată de o anumită secvență de trei nucleotide

a) aminoacizi

b) glucoza

c) amidon

d) glicerol

20. Unde se găsesc moleculele de ADN în celulă?

a) În nucleu, mitocondrii și plastide

b) În ribozomi și complexul Golgi

c) În membrana citoplasmatică

d) În lizozomi, ribozomi, vacuole

21. În celulele vegetale ARNt

a) stochează informații ereditare

b) se replic pe ARNm

c) asigură replicarea ADN-ului

d) transferă aminoacizi la ribozomi

22. Molecula de ARN conține baze azotate:

a) adenina, guanina, uracilul, citozina

b) citozină, guanină, adenină, timină

c) timină, uracil, adenină, guanină

d) adenină, uracil, timină, citozină.

23. Monomerii moleculelor de acid nucleic sunt:

a) nucleozide

b) nucleotide

c) polinucleotide

d) baze azotate.

24. Compoziția monomerilor moleculelor de ADN și ARN diferă între ele prin conținut:

a) zahăr

b) baze azotate

c) zaharuri si baze azotate

d) zahăr, baze azotate și reziduuri de acid fosforic.

25. Celula conține ADN în:

b) nucleul si citoplasma

c) nucleul, citoplasma si mitocondriile

d) nucleul, mitocondriile și cloroplastele.