Аминокислоты в ДНК

Что такое аминокислоты

 

 

Одним из важнейших “кирпичиков” всего живого являются органические соединения, называемые аминокарбоновыми кислотами (АМК), или, если проще, аминокислотами. На молекулярном уровне аминокислоты состоят из аминных и карбоксильных групп. Аминогруппы состоят из атомов азота (N) и водорода (H2). Карбоксильные же состоят из атомов не только водорода (H), но и кислорода (O) и углерода (C); при этом кислород присутствует в карбоксильных группах в связках, образующих карбонил (в связке с углеродом) и гидроксилом (в связке с водородом), и эти связки оказывают взаимное влияние друг на друга.

 

 

Всего существуют около 500 аминокислот, но лишь около двух десятков из них могут составлять генетический код живых существ, включая человека. А в целом, в составе белков учёными в разное время были открыты аминокислоты наподобие глицина, тирозина, серина, глутамина и глутаминовой кислоты, аспарагина и аспарагиновой кислоты, аланина, цистеина, пролина и гидроксипролина, гидроксилизина. Помимо них, был открыт ряд незаменимых аминокислот (то есть тех, которые те или иные организмы не способны синтезировать) наподобие фенилалалина, лизина, аргинина, гистидина, валина, триптофана, изолейцина, метионина и трионина (эти аминокислоты как раз являются незаменимыми в организме человека).

 

 

Как устроена ДНК

 

 

Как было указано выше, часть аминокислот составляет генетический код живых организмов, в том числе и человеческий. Генетическая информация зашифрована в дезоксирибонуклеиновой кислоте, или ДНК. Она наравне с рибонуклеиновой кислотой (РНК) и белками относится к макромолекулам.

 

У многих эукариотических живых организмов (а таковыми являются животные (включая человека), растения и грибы, ДНК заключается в клеточном ядре и является частью хромосом, но также ДНК может содержаться и в некоторых других органоидах эукариотических клеток, например, в составе пластид и митохондрий. Что же касается прокариотических организмов (к таковым относятся археи и бактерии), то в их клетках ДНК держится на клеточной мембране в составе нуклеоида, при этом она имеет кольцевую или линейную форму.

 

 

ДНК является протяжённой полимерной молекулой, выстроенной из нуклеотидов (иначе именуемых нуклеозидфосфатами), повторяющихся на по всей длине молекулы. Каждый нуклеотид в молекуле ДНК состоит из трёх элементов, и к таковым относят азотистое основание (а ДНК включает в себя четыре азотистых основания в виде аденина (A), гуанина (G), цитозина (C) и тимина (T), при этом в РНК вместо тимина присутствует другое азотистое основание – урацил (U)), сахар (или моносахарид), называемый дезоксирибозой (или тиминозой) и фосфатную группу.

 

Последние два отвечают за нуклеотидные связи в молекуле ДНК. Внешне молекула представляет собой две цепочки, азотистые основания в которых направлены в сторону друг друга, и эти две цепочки винтообразно закручены. Поэтому молекулу ДНК называют “двойной спиралью”, хотя это название некорректно, корректным будет название “двойной винт”. Кстати, винтовая линия молекулы ДНК бывает как правой (A-форма и B-форма ДНК), так и левой (Z-форма ДНК).

 

 

Что же касается азотистых оснований в ДНК, то они соединяются между цепочками молекулы по принципу комплементарности (A-T и G-C, и никак иначе) с помощью водородных связей. Порядок нуклеотидных блоков влияет на шифрование информации о ряде РНК, в частности, о матричных (информационных, мРНК), рибосомальных (рРНК) и транспортных (тРНК), эти типы могут быть синтезированы на матрице молекулы ДНК благодаря копированию последовательности ДНК в последовательность РНК, синтез которой осуществляется во время транскрипции (переноса генетической информации на РНК с ДНК).

 

 

Также мРНК, рРНК и тРНК участвуют и в процессе трансляции (когда рибосома синтезирует белок из аминокислот с помощью, в первую очередь, мРНК, и реализует тем самым генетическую информацию). В клеточных ДНК содержатся не только кодирующие, но и регуляторные и структурные последовательности.

 

 

Основные функции ДНК

 

 

Главные функции ДНК заключаются в хранении и передачи наследственной генетической информации от одного поколения живых организмов к другому, равно как и реализации программы жизнедеятельности, развития и функционирования организмов. Биологическая информация, что хранится в ДНК, заключена в генетический код, что представлен последовательностью нуклеотидов. В ДНК содержится информация о структуре белков и ряда видов РНК. Иными словами, в ДНК закодировано всё, что касается признаков и свойств живых организмов, как отдельных клеток, так и всех систем организма, а также внешних особенностей.

 

Передача информации возможно за счёт репликации, или самоудвоения молекул ДНК, а этот процесс происходит таким образом: молекула ДНК разделяется на пару комплементарных цепочек, и ранее существовавшая нуклеотидная последовательность воссоздаётся по принципу комплементарности. Если в последовательности нуклеотидов происходит изменение, то это называется мутацией, и это может повлечь генетические изменения или нарушения, которые окажут значительное влияние на жизнедеятельности организма.

 

 

Свойства аминокислот

 

 

Присутствующие в молекулах ДНК аминокислоты имеют ряд характерных свойств как на физическом, так и на химическом уровне. С физической точки зрения, аминокислоты являются кристаллическими веществами, способными хорошо растворяться в воде, но слабо подвержены растворению при вступлении в реакцию с многими органическими растворителями.

 

Большая часть аминокислот отличается сладким или сладковатым вкусом, но из-за присутствия конкретного радикала могут иметь горький вкус или не иметь вкуса вообще, и это намекает на солеобразность аминокислот. Аминокислоты хорошо плавятся и разлагаются при воздействии температуры в 200 градусов и выше. Водным растворам аминокислот подвластна способность проводить электричество в кислой и щелочной средах. Ещё аминокислоты являются бесцветными нелетучими веществами, а также могут осуществлять оптическую активность.

 

 

На те или иные свойства аминокислот на химическом уровне могут влиять те или иные соединения. Вообще, аминокислоты относятся к амфотерным соединениям, способным проявлять как кислотные, так и основные свойства (об это говорит строение аминокислот, сочетание и основной, и кислотной групп в составе аминокислот напрямую влияет на их физические и химические свойства). Кислотные свойства обуславливаются присутствием карбоксильных групп (COOH) в составе молекул аминокислот; основные, в свою очередь, определяются за счёт присутствия аминогрупп (NH2).

 

Благодаря своим амфотерным свойствам аминокислоты могут взаимодействовать с щелочами и кислотами, создавать в реакции с ними соли, и благодаря этим факторам водные растворы аминокислот могут обретать форму внутренних солей (то есть, становиться буферными растворами).

 

Аминокислоты можно рассматривать в качестве производных от карбоновых кислот, поэтому и в характерные для таких кислот и для аминов реакции аминокислоты способны вступать. Функциональными производными этих реакций могут быть амиды, соли и сложные эфиры.

 

Последние, кстати, могут возникать при реакции аминокислот со спиртами (и обязательно при наличии хлороводорода в состоянии газа), такие сложные эфиры не биполярны и, в отличие от самих аминокислот, становятся летучими. Аминокислоты могут осуществлять поликонденсацию, результатом её становится появление полиамидов, к которым относят, к примеру, пептиды и белки, а также нейлон и капрон.

 

 

Функции аминокислот

 

 

Если коротко, то аминокислоты обладают рядом важнейших для жизнедеятельности всех живых организмов функций, в частности, используются как строительный материал белков, участвуют в процессах восстановления и укрепления повреждённых суставов, мышц и связок, в обменных процессах, в клеточном делении, в регуляции рецепторов, в переносе веществ, в работе иммунной системы, а также осуществляют все те функции, что свойственны белкам, состоящим в том числе из аминокислот.

 

Иными словами, аминокислоты участвуют во всех процессах, связанных с жизнедеятельностью организма. А ещё аминокислоты являются одними из важнейших полезных веществ и микроэлементов, поступающих с пищей или питьём.

 

 

В белковых молекулах могут быть десятки и сотни аминокислот, и белки могут иметь различные в плане состава, количества и местоположения комбинации и из незаменимых, и из заменимых аминокислот. Незаменимые аминокислоты, кстати, имеют настолько важное значение, что их нехватка окажет серьёзное негативное влияние на работу организма.

 

 

Как синтезируются белки?

 

Биосинтез белка является весьма непростым процессом, для его осуществления требуется много энергии, он состоит из немалого количества стадий, но всё же, если вкратце, можно выделить два основных этапов. Первый этап – когда синтезируется полипептидная аминокислотная цепочка, этот процесс осуществляется на рибосомах, и в нём важную роль играют молекулы матричной (мРНК) и транспортной (тРНК), то есть, происходит процесс трансляции. Второй этап называется посттрансляционными модификациями.

 

Биосинтез начинается с момента, когда аминокислота активируется при помощи особого фермента, и при этом присутствует аденозинтрифосфат (АТФ, или аденозинтрифосфорная кислота), и результатом этого становится появившийся аминоациладенилат. Затем активированная аминокислота присоединяется к особой тРНК, в результате чего выделяется АМФ, или аденозинмонофосфат. Наконец, тРНК, к которой прикрепилась аминокислота (её уже называют аминоацил-тРНК), прикрепляется к рибосомам, и аминокислота включается в состав белка, а тРНК отделяется.

 

Сколько аминокислот в составе ДНК

 

 

Аминокислоты, встроенные в полипептидные цепочки, присутствуют в составе молекул ДНК. Количество нуклеотидов и их последовательностей, а следовательно, и аминокислот в составе ДНК, очень много. К примеру, белковая молекула в среднем может содержать около 400 аминокислот. А вот количество аминокислот в молекуле ДНК определяется за счёт кодонов.

 

Кодонами (кодирующими тринуклеотидами) называются тройки, или триплеты последовательно расположенных нуклеотидных остатков, и в составе одного кодона присутствует по одной аминокислоте. Все основные 20 аминокислот так или иначе присутствуют в составе как молекул РНК, так и молекул ДНК, и может существовать 64 комбинации кодонов в молекуле ДНК, при этом лишь в 61 случае кодируется аминокислота, а в трёх оставшихся присутствуют так называемые стоп-кодоны, отвечающие за остановку (терминацию) синтеза полипептидной цепи, или процесса трансляции. Кодоны являются единицей генетического кода живого организма.

 

 

Последовательность аминокислот в молекуле ДНК

 

 

Вот базовый пример. В молекуле ДНК обязательно присутствуют аспарагин, треонин, пролин, валин, лизин и глицин. В матричной цепи молекулы РНК в сочетании с тем или иным основанием (аденином, цитозином, гуанином и урацилом, или A, C, G и U) получится такое сочетание:

AACACACCGGUUAAAGGCGGG.

 

 

Соответственно, в смысловой цепи молекулы ДНК (где тимин вместо урацила, то есть, A, C, G и T) возникнет такое сочетание:

AAC ACA CCG GTT AAA GGC GGG в одной цепи против

TTG TGT GGC CAA TTT CCG CCC в другой.

 

 

Сколько нуклеотидов ДНК кодирует одну аминокислоту

 

 

Как было указано выше, одна аминокислота может быть закодирована тремя нуклеотидами, этот триплет именуется кодоном. Триплетность как таковая – это одно из основополагающих свойств генетического кода, но всё же не единственное. Генетическому коду также свойственна универсальность для вообще всех живых организмов, не только для человека, но и для всех животных, растений, грибов, бактерий и архей.

 

 

Ещё одним свойством является вырожденность: это значит возможность кодирования одной аминокислоты с помощью несколько триплетов, и благодаря этому свойству большинство генетических мутаций становятся безопасными и незометными для организма, ведь замена какого-то нуклеотида в молекуле ДНК далеко не всегда означает изменение значения кодона.

 

Генетическому коду свойственна и однозначность, или соответствие каждого кодона только одной конкретной аминокислоте, и более никакой другой. Наконец, ещё одним свойством генетического кода является неперекрываемость, это значит, что каждый из нуклеотидов является частью только одного конкретного кодового триплета.

 

Как кодируются аминокислоты нуклеотидами

 

 

К каждой из аминокислот применимы определённые нуклеотидные триплеты. Для аланина характерны триплеты GGU, GCC, GCA и GCG. Аргинин кодируется кодонами CGU, CGC, CGA, CGG, AGA и AGG. К аспарагину относятся AAU и AAC. К аспарагиновой кислоте, в свою очередь, относят GAU и GAC. Кодировать цистеин можно через UGU и UGC. Кодоны для глутамина – CAA и CAG, а для глутаминовой кислоты – GAA и GAG.

 

Триплеты для глицина – GGU, GGC, GGA и GGG. К гистидину прикреплены CAU и CAC. Изолейцин кодируется AUU, AUC и AUA. Лейцин, в свою очередь, кодируют UUA, UUG, CUU, CUC, CUA и CUG. Для лизина предназначены AAA и AAG. На кодирование метионина нужен только один триплет – AUG, к тому же, этот триплет используется в качестве сигнала к началу трансляции, именно с этого кодона и начинается синтез белка. У фенилалалина свои кодоны – UUU и UUC.

 

Для кодирования пролина нужны CCU, CCC, CCA и CCG. Серину же нужны UCU, UCC, UCA, UCG, AGU и AGC. На треонин идут ACU, ACC, ACA и ACG. На триптофан требуется тоже только один триплет – UGG. К тирозину прикреплены UAU и UAC. Наконец, кодирование валина осуществляется за счёт кодонов GUU, GUC, GUA и GUG. И есть отдельные стоп-кодоны, заканчивающие процесс трансляции и синтеза белка: UAG, UGA и UAA.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Яндекс.Метрика