Нуклеиновите киселини играят важна роля в клетката, осигурявайки нейната жизнена активност и възпроизводство. Тези свойства позволяват да ги наречем вторите по важност биологични молекули след протеините. Много изследователи дори поставят ДНК и РНК на първо място, което предполага тяхното основно значение в развитието на живота. Въпреки това те са предопределени да заемат второ място след протеините, защото основата на живота е именно полипептидната молекула.
Нуклеиновите киселини са различно ниво на живот, много по-сложни и интересни поради факта, че всеки вид молекула върши специфична работа за него. Това трябва да се разгледа по-подробно.
Концепцията за нуклеиновите киселини
Всички нуклеинови киселини (ДНК и РНК) са биологични хетерогенни полимери, които се различават по броя на веригите. ДНК е двуверижна полимерна молекула, която съдържагенетична информация на еукариотните организми. Кръговите ДНК молекули могат да съдържат наследствената информация на някои вируси. Това са ХИВ и аденовируси. Съществуват и 2 специални типа ДНК: митохондриална и пластидна (намерена в хлоропластите).
РНК, от друга страна, има много повече видове, поради различните функции на нуклеиновата киселина. Има ядрена РНК, която съдържа наследствената информация на бактериите и повечето вируси, матрична (или месинджърна РНК), рибозомна и транспортна. Всички те участват или в съхраняването на наследствена информация, или в генната експресия. Необходимо е обаче да се разбере по-подробно какви функции изпълняват нуклеиновите киселини в клетката.
Двуверижна ДНК молекула
Този тип ДНК е перфектна система за съхранение на наследствена информация. Двуверижна ДНК молекула е единична молекула, съставена от хетерогенни мономери. Тяхната задача е да образуват водородни връзки между нуклеотиди от друга верига. Самият ДНК мономер се състои от азотна основа, ортофосфатен остатък и петвъглероден монозахарид дезоксирибоза. В зависимост от това какъв тип азотна основа е в основата на конкретен ДНК мономер, той има свое собствено име. Видове ДНК мономери:
- дезоксирибоза с ортофосфатен остатък и аденилова азотна основа;
- тимидинова азотна основа с дезоксирибоза и ортофосфатен остатък;
- цитозин азотна основа, дезоксирибоза и ортофосфатен остатък;
- ортофосфат с дезоксирибоза и гуанин азотен остатък.
В писмен вид, за да се опрости схемата на ДНК структурата, адениловият остатък е обозначен като "A", гуаниновият остатък е обозначен като "G", тимидиновият остатък е "T", а цитозиновият остатък е "C ". Важно е генетичната информация да се прехвърля от двуверижната ДНК молекула към информационната РНК. Той има няколко разлики: тук, като въглехидратен остатък, има не дезоксирибоза, а рибоза и вместо тимидиловата азотна основа, урацилът се среща в РНК.
Структура и функции на ДНК
ДНК е изградена на принципа на биологичен полимер, при който една верига се създава предварително по зададен шаблон, в зависимост от генетичната информация на родителската клетка. ДНК нуклеотидите са свързани тук чрез ковалентни връзки. След това, съгласно принципа на комплементарност, други нуклеотиди се прикрепват към нуклеотидите на едноверижната молекула. Ако в едноверижна молекула началото е представено от нуклеотида аденин, то във втората (комплементарна) верига ще съответства на тимин. Гуанинът е комплементарен на цитозина. Така се изгражда двуверижна ДНК молекула. Той се намира в ядрото и съхранява наследствена информация, която е кодирана от кодони – триплети нуклеотиди. Функции на двойноверижна ДНК:
- запазване на наследствена информация, получена от родителската клетка;
- изразяване на ген;
- предотвратяване на мутационни промени.
Значението на протеините и нуклеиновите киселини
Смята се, че функциите на протеините и нуклеиновите киселини са общи, а именно:те участват в генната експресия. Самата нуклеинова киселина е тяхното място за съхранение, а протеинът е крайният резултат от разчитането на информация от гена. Самият ген е участък от една интегрална ДНК молекула, опакована в хромозома, в която информация за структурата на определен протеин се записва с помощта на нуклеотиди. Един ген кодира аминокиселинната последователност само на един протеин. Това е протеинът, който ще приложи наследствената информация.
Класификация на типовете РНК
Функциите на нуклеиновите киселини в клетката са много разнообразни. И те са най-много в случая с РНК. Тази многофункционалност обаче все още е относителна, тъй като един вид РНК отговаря за една от функциите. В този случай има следните видове РНК:
- ядрена РНК на вируси и бактерии;
- матрица (информация) RNA;
- рибозомна РНК;
- месинджър РНК плазмид (хлоропласт);
- Хлоропласт рибозомна РНК;
- митохондриална рибозомна РНК;
- митохондриална информационна РНК;
- трансферна РНК.
РНК функции
Тази класификация съдържа няколко вида РНК, които са разделени в зависимост от местоположението. Във функционално отношение обаче те трябва да бъдат разделени само на 4 вида: ядрени, информационни, рибозомни и транспортни. Функцията на рибозомната РНК е протеинов синтез, базиран на нуклеотидната последователност на информационната РНК. При коетоаминокиселините се "довеждат" до рибозомната РНК, "нанизани" на информационната РНК, посредством транспортна рибонуклеинова киселина. По този начин протича синтезът във всеки организъм, който има рибозоми. Структурата и функциите на нуклеиновите киселини осигуряват както запазването на генетичния материал, така и създаването на процеси на протеинов синтез.
Митохондриални нуклеинови киселини
Ако почти всичко е известно за функциите в клетката, изпълнявани от нуклеиновите киселини, разположени в ядрото или цитоплазмата, тогава все още има малко информация за митохондриалната и пластидната ДНК. Тук също са открити специфични рибозомни и информационни РНК. Нуклеиновите киселини ДНК и РНК присъстват тук дори в най-автотрофните организми.
Може би нуклеиновата киселина е влязла в клетката чрез симбиогенеза. Този път се смята от учените за най-вероятен поради липсата на алтернативни обяснения. Процесът се разглежда по следния начин: симбиотична автотрофна бактерия попада в клетката в определен период от време. В резултат на това тази безядрена клетка живее вътре в клетката и й осигурява енергия, но постепенно се разгражда.
В началните етапи на еволюционното развитие вероятно симбиотична неядрена бактерия е преместила мутационни процеси в ядрото на клетката гостоприемник. Това позволи на гените, отговорни за съхраняването на информация за структурата на митохондриалните протеини, да бъдат въведени в нуклеиновата киселина на клетката гостоприемник. Засега обаче какви функции в клетката изпълняват нуклеиновите киселини от митохондриален произход,няма много информация.
Вероятно някои протеини се синтезират в митохондриите, чиято структура все още не е кодирана от ядрената ДНК или РНК на гостоприемника. Също така е вероятно клетката да се нуждае от собствен механизъм на протеинов синтез само защото много протеини, синтезирани в цитоплазмата, не могат да преминат през двойната мембрана на митохондриите. В същото време тези органели произвеждат енергия и следователно, ако има канал или специфичен носител за протеина, той ще бъде достатъчен за движението на молекулите и срещу градиента на концентрация.
Плазмидна ДНК и РНК
Пластидите (хлоропластите) също имат собствена ДНК, която вероятно е отговорна за изпълнението на подобни функции, какъвто е случаят с митохондриалните нуклеинови киселини. Той също така има своя собствена рибозомна, предавателна и трансферна РНК. Освен това пластидите, съдейки по броя на мембраните, а не по броя на биохимичните реакции, са по-сложни. Случва се много пластиди да имат 4 слоя мембрани, което се обяснява от учените по различни начини.
Едно нещо е очевидно: функциите на нуклеиновите киселини в клетката все още не са напълно проучени. Не е известно какво значение имат митохондриалната протеин-синтезираща система и аналогичната хлоропластична система. Също така не е напълно ясно защо клетките се нуждаят от митохондриални нуклеинови киселини, ако протеините (очевидно не всички) вече са кодирани в ядрената ДНК (или РНК, в зависимост от организма). Въпреки че някои факти ни принуждават да се съгласим, че синтезиращата протеин система на митохондриите и хлоропластите е отговорна за същите функции катои ДНК на ядрото и РНК на цитоплазмата. Те съхраняват наследствена информация, възпроизвеждат я и я предават на дъщерните клетки.
CV
Важно е да се разбере какви функции в клетката изпълняват нуклеиновите киселини от ядрен, пластиден и митохондриален произход. Това открива много перспективи за науката, защото симбиотичният механизъм, според който са се появили много автотрофни организми, може да бъде възпроизведен днес. Това ще направи възможно получаването на нов тип клетка, може би дори човешка. Въпреки че е твърде рано да се говори за перспективите за въвеждане на многомембранни пластидни органели в клетките.
Много по-важно е да разберем, че нуклеиновите киселини са отговорни за почти всички процеси в клетката. Това е както биосинтеза на протеини, така и запазване на информация за структурата на клетката. Нещо повече, много по-важно е нуклеиновите киселини да изпълняват функцията на пренасяне на наследствен материал от родителски клетки към дъщерни клетки. Това гарантира по-нататъшното развитие на еволюционните процеси.
