אילו פונקציות בתא מבצעות חומצות גרעין? המבנה והתפקודים של חומצות גרעין

לחומצות גרעין תפקיד חשוב בתאהבטחת פעילותו ורבייתו החיוניים. 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, כי בסיס החיים הוא בדיוק מולקולת הפוליפפטיד.

חומצות גרעין הן רמה אחרת של חיים, הרבה יותר מורכבת ומעניינת בשל העובדה שכל סוג של מולקולה עושה עבורה עבודה ספציפית. יש לבחון זאת ביתר פירוט.

הרעיון של חומצות גרעין

כל חומצות הגרעין (DNA ו-RNA) הןהם פולימרים הטרוגניים ביולוגיים הנבדלים במספר השרשראות. DNA הוא מולקולת פולימר דו-גדילית המכילה את המידע הגנטי 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 (הנמצא בכלורופלסטים).

ל-RNA יש הרבה יותר סוגים, אשרבשל התפקודים השונים של חומצת הגרעין. ישנו RNA גרעיני, המכיל את המידע התורשתי של חיידקים ורוב הנגיפים, מטריקס (או RNA שליח), ריבוזומלי ותחבורה. כולם מעורבים או באחסון מידע תורשתי או בביטוי גנים. עם זאת, יש צורך להבין ביתר פירוט אילו תפקידים חומצות גרעין ממלאות בתא.

מולקולת DNA כפולה

סוג זה של DNA הוא מערכת האחסון המושלמתמידע 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, ומחנו-סוכר בעל חמישה פחמנים דאוקסיריבוז. תלוי איזה סוג של בסיס חנקני עומד בבסיס מונומר DNA מסוים, יש לו שם משלו. סוגי מונומרים של DNA:

• deoxyribose עם שארית אורתופוספט ובסיס חנקני אדניל;
• בסיס חנקני תימידין עם דאוקסיריבוז ושארית אורתופוספט;
• בסיס חנקני ציטוזין, דאוקסיריבוז ושארית אורתופוספט;
• אורתופוספט עם דאוקסיריבוז ושארית חנקן גואנין.

בכתב כדי לפשט את דיאגרמת מבנה ה-DNAשארית אדניל מסומנת כ-"A", גואנין - "G", תימידין - "T", וציטוזין - "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 החנקני תימידיל, אורציל נמצא ב-RNA.

מבנה ותפקודי ה-DNA

DNA בנוי על עיקרון הביולוגיפולימר, 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 של DNA דו-גדילי:

• שימור מידע תורשתי שהתקבל מתא האם;
• ביטוי גנים;
• חסימה של שינויים מוטציוניים.

חשיבותם של חלבונים וחומצות גרעין

הוא האמין כי הפונקציות של חלבונים וגרעיןחומצות נפוצות, כלומר: הן מעורבות 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 שיישם את המידע התורשתי.

סיווג סוגי RNA

הפונקציות של חומצות גרעין בתא הן מאודמגוון. והם רבים ביותר במקרה של RNA. עם זאת, רב-תכליתיות זו עדיין יחסית, מכיוון שסוג אחד של RNA אחראי על אחת מהפונקציות. ישנם סוגים הבאים של RNA:

• RNA גרעיני של וירוסים וחיידקים;
• מטריקס (מידע) RNA;
• RNA ריבוזומלי;
• RNA שליח של פלסמידים (כלורופלסטים);
• RNA ריבוזומלי של כלורופלסטים;
• RNA ריבוזומי מיטוכונדריאלי;
• RNA שליח מיטוכונדריאלי;
• להעביר RNA.

פונקציות RNA

סיווג זה מכיל מספר סוגיםRNA, המחולקים לפי מיקום. 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. במקרה זה, חומצות 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 על אילו פונקציות בתא מבצעותבעוד שכמעט הכל ידוע על חומצות גרעין הממוקמות בגרעין או בציטופלזמה, 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 לתאבאמצעות סימביוגנזה. 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, החיידק הסימביוטי הלא-גרעיני הניע את תהליכי המוטציה בגרעין התא המארח. זה אפשר להחדיר את הגנים האחראים על אחסון מידע על מבנה החלבונים המיטוכונדריים לחומצת הגרעין של התא המארח. עם זאת, עד כה אין מידע רב על הפונקציות של חומצות גרעין ממקור מיטוכונדריאלי בתא.

כנראה, חלק מהמיטוכונדריה מסונתזחלבונים שהמבנה שלהם 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

לפסטידים (כלורופלסטים) יש גם משלהםDNA, שאחראי כנראה למימוש פונקציות דומות, כמו במקרה של 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. זה קורה שלפלסטידים רבים יש 4 שכבות של ממברנות, אשר מוסבר על ידי מדענים בדרכים שונות.

דבר אחד ברור:הפונקציות של חומצות גרעין בתא טרם 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 החלבונים של מיטוכונדריה וכלורופלסטים אחראית לאותן פונקציות כמו DNA גרעיני ו-RNA ציטופלזמי. הם אוגרים מידע תורשתי, משכפלים אותו ומעבירים אותו לתאי בת.

סיכום

חשוב להבין מה מתפקד בתאלבצע 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 פלסטיים רב-ממברניים לתאים.

הרבה יותר חשוב להבין את זה בגרעין התאחומצות אחראיות כמעט לכל התהליכים. 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 התפתחות נוספת של תהליכים אבולוציוניים.