Какое азотистое основание не содержится в рнк
всеобщность
Азотистые основания представляют собой ароматические гетероциклические органические соединения, содержащие атомы азота, которые принимают участие в образовании нуклеотидов.
Плоды объединения азотистого основания, пентозы (то есть сахара с 5 атомами углерода) и фосфатной группы, нуклеотидов являются молекулярными единицами, которые составляют нуклеиновые кислоты ДНК и РНК.
В ДНК азотистыми основаниями являются: аденин, гуанин, цитозин и тимин; в РНК они такие же, кроме тимина, в месте которого находится азотистое основание, называемое урацил.
В отличие от РНК, азотистые основания ДНК образуют пары или пары оснований. Наличие такого спаривания возможно, потому что ДНК имеет двухцепочечную нуклеотидную структуру.
Экспрессия генов зависит от последовательности азотистых оснований в сочетании с нуклеотидами ДНК.
Что такое азотистые основания?
Азотистые основания – это органические молекулы, содержащие азот, которые принимают участие в образовании нуклеотидов .
Каждый из образованных азотистых оснований, сахара с 5 атомами углерода (пентозы) и фосфатной группы, нуклеотиды являются молекулярными единицами, которые составляют нуклеиновые кислоты ДНК и РНК .
ДНК и РНК нуклеиновых кислот являются биологическими макромолекулами, от которых зависит развитие и правильное функционирование клеток живого существа.
Азотистые основы нуклеиновых кислот
Азотистые основания, из которых состоят нуклеиновые кислоты ДНК и РНК: аденин, гуанин, цитозин, тимин и урацил .
Аденин, гуанин и цитозин являются общими для обеих нуклеиновых кислот, то есть они являются частью как нуклеотидов ДНК, так и нуклеотидов РНК. Тимин является эксклюзивным для ДНК, а урацил – исключительно для РНК .
Если коротко, то азотистые основания, которые образуют нуклеиновую кислоту (будь то ДНК или РНК), относятся к 4 различным типам.
СОКРАЩЕНИЯ АЗОТНЫХ ОСНОВ
Химики и биологи сочли целесообразным сократить названия азотистых оснований одной буквой алфавита. Таким образом, они сделали представление и описание нуклеиновых кислот в текстах проще и быстрее.
Аденин совпадает с заглавными буквами A; гуанин с заглавной буквой G; цитозин с заглавной буквой С; тимин с заглавными буквами T; наконец, урацил с заглавной буквой U.
Классы и структура
Существует два класса азотистых оснований: класс азотистых оснований, которые происходят от пиримидина, и класс азотистых оснований, которые происходят от пурина .
Рисунок: общая химическая структура пиримидина и пурина.
Азотистые основания, происходящие из пиримидина, также известны под альтернативными названиями: пиримидиновые или пиримидиновые азотистые основания ; в то время как азотистые основания, которые происходят из пурина, также известны с альтернативными словами: пуриновые или пуриновые азотистые основания .
Цитозин, тимин и урацил относятся к классу пиримидиновых азотистых оснований; аденин и гуанин, с другой стороны, составляют класс пуриновых азотистых оснований.
Примеры производных пурина, кроме азотистых оснований ДНК и РНК
Среди производных пурина есть также органические соединения, которые не являются азотистыми основаниями ДНК и РНК. Например, такие соединения, как кофеин, ксантин, гипоксантин, теобромин и мочевая кислота, попадают в эту категорию.
ЧТО ТАКОЕ ОСНОВЫ AZOTE ИЗ ХИМИЧЕСКОЙ ТОЧКИ ЗРЕНИЯ?
Химики-органики определяют азотистые основания и все производные пурина и пиримидина как гетероциклические ароматические соединения .
- Гетероциклическое соединение представляет собой органическое кольцевое (или циклическое) соединение, которое в вышеупомянутом кольце имеет один или несколько атомов, отличных от углерода. В случае пуринов и пиримидинов атомы, отличные от углерода, являются атомами азота.
- Ароматическое соединение представляет собой органическое соединение в форме кольца, имеющее структурные и функциональные характеристики, сходные с характеристиками бензола.
СТРУКТУРА
Рисунок: химическая структура бензола.
Химическая структура азотистых оснований, полученных из пиримидина, состоит, главным образом, в одном кольце с 6 атомами, 4 из которых представляют собой атомы углерода и 2 из которых представляют собой азот.
Фактически, азотистое основание пиримидина представляет собой пиримидин с одним или несколькими заместителями (т.е. одним атомом или группой атомов), связанными с одним из атомов углерода кольца.
Напротив, химическая структура азотистых оснований, полученных из пурина, состоит, главным образом, из двойного кольца с 9 полными атомами, 5 из которых являются атомами углерода и 4 из которых являются азотом. Вышеупомянутое двойное кольцо с 9 суммарными атомами происходит из слияния пиридиминового кольца (то есть пиримидинового кольца) с имидазольным кольцом (то есть кольцом имидазола, другого органического гетероциклического соединения).
Рисунок: структура имидазола.
Как известно, пиримидиновое кольцо содержит 6 атомов; в то время как имидазольное кольцо содержит 5. При слиянии два кольца имеют по два атома углерода в каждом, и это объясняет, почему конечная структура содержит, в частности, 9 атомов.
РАСПОЛОЖЕНИЕ АТОМОВ АЗОТА В ПУРИНЕ И ПИРИМИДИНЕ
Чтобы упростить изучение и описание органических молекул, химики-органики решили назначить идентификационный номер для углей и всех других атомов несущих структур. Нумерация всегда начинается с 1, она основана на очень специфических критериях присвоения (которые здесь лучше не указывать) и служит для определения положения каждого атома в молекуле.
Для пиримидинов числовые критерии назначения устанавливают, что 2 атома азота занимают положение 1 и положение 3, тогда как 4 атома углерода находятся в положениях 2, 4, 5 и 6.
Для пуринов, с другой стороны, числовые критерии назначения утверждают, что 4 атома азота занимают позиции 1, 3, 7 и 9, тогда как 5 атомов углерода находятся в позициях 2, 4, 5, 6 и 8.
Положение в нуклеотидах
Азотистое основание нуклеотида всегда присоединяется к углероду в положении 1 соответствующей пентозы через ковалентную N-гликозидную связь .
В частности,
- Азотистые основания, происходящие из пиримидина, образуют N-гликозидную связь через азот в положении 1 ;
- В то время как азотистые основания, которые происходят из пурина, образуют N-гликозидную связь через азот в положении 9 .
В химической структуре нуклеотидов пентоза представляет собой центральный элемент, с которым связываются азотистое основание и фосфатная группа.
Химическая связь, которая объединяет фосфатную группу с пентозой, относится к фосфодиэфирному типу и включает кислород фосфатной группы и углерод в положении 5 пентозы.
КОГДА АЗОТ БАЗЫ ФОРМЫ НУКЛЕОЗИД?
Комбинация азотистого основания и пентозы образует органическую молекулу, которая называется нуклеозидом .
Таким образом, именно добавление фосфатной группы превращает нуклеозиды в нуклеотиды.
Более того, согласно конкретному определению нуклеотидов, эти органические соединения могут быть «нуклеозидами, которые имеют одну или несколько фосфатных групп, связанных с углеродом 5 составляющей пентозы».
Организация в ДНК
ДНК, или дезоксирибонуклеиновая кислота, представляет собой большую биологическую молекулу, образованную двумя очень длинными цепями нуклеотидов (или полинуклеотидными филаментами ).
Эти полинуклеотидные филаменты имеют некоторые характеристики, которые заслуживают особого упоминания, поскольку они также тесно связаны с азотистыми основаниями:
- Они объединены.
- Они ориентированы в противоположных направлениях («антипараллельные нити»).
- Они обертывают друг друга, как будто они две спирали.
- Нуклеотиды, которые их составляют, имеют такое расположение, что азотистые основания ориентированы по направлению к центральной оси каждой спирали, тогда как пентозы и фосфатные группы образуют внешние каркасы последних.
Сингулярное расположение нуклеотидов приводит к тому, что каждое азотистое основание одной из двух полинуклеотидных нитей объединяется посредством водородных связей с азотистым основанием, присутствующим на другой ниточке. Следовательно, этот союз создает комбинацию оснований, комбинаций, которые биологи и генетики называют спариванием, или пару оснований .
Выше было сказано, что две нити соединены вместе: именно связи между различными азотистыми основаниями двух полинуклеотидных нитей определяют их соединение.
КОНЦЕПЦИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОСНОВ
Изучив структуру ДНК, исследователи поняли, что спаривание азотистых оснований очень специфично . Фактически, они заметили, что аденин присоединяется только к тимину, а цитозин – только к гуанину.
В свете этого открытия они создали термин « комплементарность азотистых оснований », чтобы обозначить однозначное связывание аденина с тимином и цитозина с гуанином.
Идентификация комплементарного спаривания между азотистыми основаниями была ключом к объяснению физических размеров ДНК и особой стабильности, которой обладают два полинуклеотидных филамента.
В 1953 году американский биолог Джеймс Уотсон и английский биолог Фрэнсис Крик внесли решающий вклад в открытие структуры ДНК (от спиральной обмотки двух цепей полинуклеотидов до спаривания комплементарных азотистых оснований).
С формулировкой так называемой « модели двойной спирали » Уотсон и Крик обладали невероятной интуицией, которая представляла собой эпохальный поворотный момент в области молекулярной биологии и генетики.
Фактически, открытие точной структуры ДНК сделало возможным изучение и понимание биологических процессов, которые рассматривают дезоксирибонуклеиновую кислоту как главного героя: от того, как РНК реплицируется или формируется, до того, как она генерирует белки.
Галстуки, которые держат пары легких базисов вместе
Соединение двух азотистых оснований в молекуле ДНК, образующих комплементарное спаривание, представляет собой серию химических связей, известных как водородные связи .
Аденин и тимин взаимодействуют друг с другом с помощью двух водородных связей, а гуанин и цитозин – с помощью трех водородных связей.
СКОЛЬКО ПАР АЗОТАТОВЫХ ОСНОВ СОДЕРЖИТ МОЛЕКУЛУ ДНК ЧЕЛОВЕКА?
Общая молекула ДНК человека содержит около 3, 3 миллиарда основных азотных пар, что составляет около 3, 3 миллиарда нуклеотидов на нить.
Рисунок: химическое взаимодействие между аденином и тимином, а также между гуанином и цитозином. Читатель может отметить положение и количество водородных связей, которые удерживают вместе азотистые основания двух полинуклеотидных нитей.
Организация в РНК
В отличие от ДНК, РНК или рибонуклеиновая кислота представляет собой нуклеиновую кислоту, обычно состоящую из одной цепи нуклеотидов.
Следовательно, составляющие его азотистые основания являются «непарными».
Однако следует отметить, что отсутствие комплементарной цепи азотистых оснований не исключает возможности того, что азотистые основания РНК могут выглядеть как основания ДНК.
Другими словами, азотистые основания одной нити РНК могут соответствовать, согласно законам взаимодополняемости азотистых оснований, точно так же, как азотистые основания ДНК.
Комплементарное спаривание между азотистыми основаниями двух различных молекул РНК является основой важного процесса синтеза белка (или синтеза белка ).
URACILE ЗАМЕНИТ ТИМИНУ
В РНК урацил заменяет ДНК тимина не только по структуре, но и по комплементарному спариванию: фактически именно азотистое основание специфически связывается с аденином, когда две функциональные молекулы РНК появляются по функциональным причинам.
Биологическая роль
Экспрессия генов зависит от последовательности азотистых оснований, соединенных с нуклеотидами ДНК. Гены представляют собой более или менее длинные сегменты ДНК (то есть нуклеотидные сегменты), которые содержат информацию, необходимую для синтеза белка. Состоящие из аминокислот белки являются биологическими макромолекулами, которые играют фундаментальную роль в регуляции клеточных механизмов организма.
Последовательность азотистых оснований данного гена указывает аминокислотную последовательность родственного белка.
Источник
В отличие от белков, углеводов и липидов, нуклеиновые кислоты никогда не накапливаются в клетке в больших количествах, и обнаружить их можно только с помощью специальных химических методов. Поэтому они были открыты только во второй половине XIX в., а по-настоящему изучить их роль в процессах жизнедеятельности удалось лишь во второй половине XX в. Так как первоначально они были обнаружены только в ядрах, им дали название нуклеиновые (от лат. nucleus — ядро).
Нуклеиновые кислоты — биологические полимеры, мономерами которым служат нуклеотиды. Связи между нуклеотидами легко подвергаются гидролизу (распаду при реакции с водой). Каждый нуклеотид состоит из остатков углевода, фосфорной кислоты и азотистого основания (рис. 1).
Рис. 1. Строение нуклеотида
Углеводный компонент представлен пентозами — рибозой (в РНК) или дезоксирибозой (в ДНК), у которой отсутствует кислород при втором атоме углерода (рис. 2).
Рис. 2. Пентозы
Остаток фосфорной кислоты образует сложноэфирную связь с гидроксилом при 5-м атоме углерода в сахаре. Соединение нуклеотидов в полимер происходит путем образования фосфатом одного нуклеотида второй эфирной связи с гидроксилом при 3-м углероде соседнего нуклеотида. Такая связь получила название фосфодиэфирной.
Таким образом, нуклеиновые кислоты представляют собой цепь из чередующихся остатков пентозы и фосфорной кислоты (рис. 3).
Кроме того, от первого атома углерода каждой пентозы отходит в бок азотистое основание. В этом нуклеиновые кислоты сходны с белками, в которых полимерная цепь образована пептидными группировками с отходящими от них боковыми радикалами аминокислот. Так же, как и у белков, в нуклеиновых кислотах два конца цепи неодинаковы. С одной стороны имеется не занятое связью пятое положение рибозы, этот конец называют 5’-концом. С противоположной стороны не занят связью третий гидроксил сахара, этот конец обозначают как 3’-конец. 5’-конец считается началом цепи, а 3’-конец — ее окончанием.
Рис. 3. Нуклеиновые кислоты
В одной молекуле нуклеиновой кислоты присутствует только один вид пентозы. Те молекулы, которые содержат рибозу, называют рибонуклеиновой кислотой, или сокращенно РНК. Нуклеиновую кислоту, содержащие дезоксирибозу, называют дезоксирибонуклеиновой кислотой, или ДНК.
Помимо пентозы, нуклеиновые кислоты отличаются азотистыми основаниями. Они представляют собой ароматические циклы, содержащие несколько атомов азота и заместители при определенных атомах углерода.
По структуре гетероциклов азотистые основания делятся на две группы.
Пиримидиновые азотистые основания: урацил, тимин и цитозин (рис. 4). Тимин отличается от урацила только наличием метильной группы, что незначительно меняет его свойства. В РНК встречаются урацил и цитозин, а в ДНК — тимин и цитозин.
Пуриновые основания: аденин и гуанин (рис. 5). Во всех нуклеиновых кислотах присутствуют оба пурина.
Рис. 4. Пиримидиновые основания Рис. 5. Пуриновые основания
За счет чередования различных нуклеотидов в цепи нуклеиновые кислоты могут достигать огромного многообразия (количество видов полимеров равно числу видов мономеров в степени, равной числу мономеров в цепи). И хотя число мономеров в нуклеиновых кислотах меньше, чем в белках, степень полимерности, особенно у ДНК, намного выше. Длина цепей ДНК, входящих в хромосомы разных организмов, составляет от миллионов до сотен миллионов нуклеотидов.
Молекулы РНК обычно короче, их длина — от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч нуклеотидов. А при длине цепи 500 нуклеотидов количество возможных комбинаций составляет более 10 300.
принцип комплЕментарности
При анализе содержания азотистых оснований в ДНК из различных организмов Эрвин Чаргафф обнаружил определенные закономерности, позднее названные правилами Чаргаффа.
Молярное содержание аденина всегда равно молярному содержанию тимина, а молярное содержание гуанина — молярному содержанию цитозина.
Количество пуринов равнялось количеству пиримидинов, а отношение А+Т/Г+Ц было различным у разных видов живых организмов.
Это указывало на возможные взаимодействия оснований в ДНК между собой.
На основании правил Чаргаффа и предварительных результатов рентгеноструктурного анализа Джеймс Уотсон и Френсис Крик в 1953 г. предложили двуспиральную модель структуры ДНК.
Согласно этой модели молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, соединенных между собой азотистыми основаниями. При этом аденин одной цепи всегда взаимодействует с тимином в другой, и наоборот. Точно так же гуанин одной цепи всегда связан с цитозином в другой (рис. 6).
Рис. 6. Образование водородных связей между азотистыми основаниями
Такие пары оснований удерживаются за счет образования между основаниями водородных связей:
пара А–Т образует 2 водородные связи;
пара Г–Ц образует 3 водородные связи.
Главной особенностью пар А–Т и Г–Ц является их одинаковая геометрия. Это позволяет построить двуспиральную молекулу с постоянным расстоянием между цепями, построенными остатками сахара и фосфорной кислоты. Образование любых других пар приводит к нарушению правильной структуры.
Такое взаимодействие оснований, при котором они дополняют друг друга до определенной структуры, одинаковой для всех пар, получило название принципа комплементарности.
Пары аденин и тимин, гуанин и цитозин называются комплементарными парами, а две цепочки нуклеиновых кислот, в которых все основания образуют комплементарные пары — комплементарными цепочками. Таким образом, каждая молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепочек полинуклеотидов (рис. 7).
Рис. 7. Принцип комплиментарности
Важной особенностью структуры двойной спирали ДНК является то, что комплементарные цепи направлены в противоположные стороны, т. е. 5’-конец одной цепи связан комплементарными основаниями с 3’-концом другой цепи, и наоборот. Основания плотно слипаются своими плоскостями, что делает связь между цепочками еще более прочной. Такое слипание получило название стэкинг-взаимодействия. В результате в центре молекулы ДНК находится как бы стержень, построенный из азотистых оснований, а по краям он обвит двумя нитями, состоящими из чередующихся остатков дезоксирибозы и фосфорной кислоты.
сравнение ДНК и РНК
| Нуклеиновая кислота | Строение | Функции | Особенности |
| ДНК | азотистое основание: аденин (А) тимин (Т) гуанин (Г) цитозин (Ц) углевод: дезоксирибоза остаток фосфорной кислоты | хранение и передача наследственной информации | двойная спираль (по принципу комплементарности); способность к репликации (самоудвоению)
|
| РНК | азотистое основание: аденин (А) урацил (У) гуанин (Г) цитозин (Ц) углевод: рибоза остаток фосфорной кислоты | биосинтез белка | одинарная цепочка нуклеотидов |
Рис. 8. Различия в строении ДНК и РНК
Источник