Сравнительная характеристика ДНК и РНК. Репликация ДНК: понятие, принцип комплементарности и реакция матричного синтеза.

ДНК и РНК — это нуклеиновые кислоты, то есть биополимеры, обеспечивающие хранение, передачу и реализацию наследственной информации в клетке. Обе молекулы построены из мономеров — нуклеотидов, но отличаются по строению, составу, устойчивости и выполняемым функциям.

Сравнительная характеристика ДНК и РНК

ДНК, или дезоксирибонуклеиновая кислота, является главным хранителем наследственной информации. Именно в ДНК закодированы сведения о строении белков, РНК и признаках организма. У большинства организмов ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в митохондриях и пластидах у растений.

РНК, или рибонуклеиновая кислота, участвует главным образом в реализации генетической информации. Она обеспечивает перенос информации от ДНК к месту синтеза белка, входит в состав рибосом и участвует в сборке белковой молекулы.

Главное химическое отличие ДНК и РНК связано с углеводом в составе нуклеотида. В ДНК содержится дезоксирибоза, а в РНК — рибоза. Рибоза имеет дополнительную гидроксильную группу, из-за чего РНК обычно менее устойчива и легче разрушается, чем ДНК.

Второе важное отличие касается азотистых оснований. В ДНК присутствуют четыре основания: аденин, тимин, гуанин и цитозин. В РНК вместо тимина находится урацил, поэтому ее основания — аденин, урацил, гуанин и цитозин.

По строению ДНК чаще всего представляет собой двуцепочечную спираль. Две цепи соединены между собой водородными связями между комплементарными азотистыми основаниями. РНК обычно является одноцепочечной молекулой, хотя отдельные участки одной цепи могут сближаться и образовывать вторичные структуры, например петли и шпильки.

ДНК, как правило, более длинная молекула. Она рассчитана на длительное хранение наследственной информации. РНК обычно короче и существует в клетке ограниченное время, особенно информационная РНК.

Функции ДНК и РНК также различаются. ДНК хранит генетическую информацию и передает ее дочерним клеткам при делении. РНК участвует в синтезе белка. Основные виды РНК: иРНК, тРНК и рРНК. Информационная РНК переносит сведения о строении белка от ДНК к рибосомам. Транспортная РНК доставляет аминокислоты к месту синтеза белка. Рибосомная РНК входит в состав рибосом и участвует в образовании белковой молекулы.

В кратком виде сравнение можно представить так:

Таким образом, ДНК можно сравнить с долговременным архивом наследственной информации, а РНК — с рабочими копиями и участниками процесса синтеза белка.

Репликация ДНК: понятие

Репликация ДНК — это процесс самоудвоения молекулы ДНК, в результате которого из одной исходной молекулы образуются две одинаковые дочерние молекулы ДНК. Репликация происходит перед делением клетки, в синтетический период интерфазы, чтобы каждая дочерняя клетка получила полный и одинаковый набор генетической информации.

Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственного материала от материнской клетки к дочерним клеткам. Если бы ДНК не удваивалась перед делением, дочерние клетки получали бы неполный набор генетической информации.

Репликация ДНК является матричным синтезом, потому что каждая старая цепь ДНК служит матрицей, то есть образцом, для построения новой цепи.

Принцип комплементарности

В основе репликации лежит принцип комплементарности. Он означает, что азотистые основания соединяются друг с другом строго определенным образом:

аденин соединяется с тимином,
гуанин соединяется с цитозином.

Между аденином и тимином образуются две водородные связи, а между гуанином и цитозином — три водородные связи. Благодаря этому пары оснований устойчивы и точно соответствуют друг другу.

Например, если на одной цепи ДНК расположен участок:

А — Т — Г — Ц — Ц — А

то комплементарная цепь будет иметь последовательность:

Т — А — Ц — Г — Г — Т

Именно комплементарность обеспечивает точность копирования ДНК. Каждая материнская цепь «подсказывает», какие нуклеотиды должны встать напротив нее в новой цепи.

Реакция матричного синтеза

Матричный синтез — это образование новой молекулы по уже существующей молекуле-матрице. При репликации матрицей служит каждая из двух цепей исходной ДНК.

Сначала двойная спираль ДНК раскручивается. Водородные связи между комплементарными основаниями разрываются, и две цепи расходятся. После этого к каждой старой цепи присоединяются свободные нуклеотиды по принципу комплементарности: напротив аденина становится тимин, напротив тимина — аденин, напротив гуанина — цитозин, напротив цитозина — гуанин.

Затем ферменты соединяют нуклеотиды новой цепи между собой, формируя сахарофосфатный остов. Главную роль в синтезе новой цепи играет фермент ДНК-полимераза. Она присоединяет новые нуклеотиды к растущей цепи и также участвует в исправлении ошибок.

В результате репликации образуются две молекулы ДНК. Каждая из них содержит одну старую, материнскую цепь и одну новую, дочернюю цепь. Такой способ удвоения называется полуконсервативным, потому что в каждой новой молекуле сохраняется половина исходной молекулы.

Репликацию можно описать по этапам:

1. Раскручивание двойной спирали ДНК. Ферменты разрывают водородные связи между цепями.

2. Разделение цепей. Каждая цепь становится матрицей.

3. Присоединение свободных нуклеотидов. Они встают напротив материнской цепи по принципу комплементарности.

4. Образование новых цепей. ДНК-полимераза соединяет нуклеотиды в единую цепь.

5. Формирование двух одинаковых молекул ДНК. Каждая содержит одну старую и одну новую цепь.

Важно отметить, что цепи ДНК антипараллельны, то есть направлены в противоположные стороны. ДНК-полимераза может синтезировать новую цепь только в направлении от 5'-конца к 3'-концу. Поэтому одна дочерняя цепь образуется непрерывно, а другая — фрагментами. Эти фрагменты затем соединяются ферментом ДНК-лигазой.

Значение репликации ДНК

Репликация имеет огромное значение для жизни клетки и организма. Она обеспечивает сохранение наследственной информации при делении клеток, росте организма, обновлении тканей и размножении. Благодаря точному удвоению ДНК дочерние клетки получают одинаковую генетическую информацию.

Ошибки репликации могут приводить к мутациям. Некоторые мутации нейтральны, некоторые вредны, а иногда они могут стать источником наследственной изменчивости. Поэтому в клетке существуют механизмы контроля и исправления ошибок, повышающие точность копирования ДНК.

Итак, ДНК и РНК являются нуклеиновыми кислотами, но ДНК главным образом хранит наследственную информацию, а РНК участвует в ее реализации. Репликация ДНК — это процесс ее удвоения перед делением клетки. Он основан на принципе комплементарности и представляет собой реакцию матричного синтеза, при которой каждая старая цепь служит образцом для образования новой цепи.