Как нуклеиновите киселини ДНК и РНК дирижират живота

Автор: Силвия Маринова, докторант в лаборатория „Геномна стабилност“ към БАН

В тази статия ще се запознаем с може би най-важните биомолекули, които са ключ към продължението на живота. Те носят закодирана в себе си информация, която се предава от родители на деца, и определя наследствените характеристики на всички живи организми. И да, ако в момента в съзнанието ви изниква ДНК, то вие сте съвсем прави. ДНК се причислява именно към класа на тези биомолекули, наречени, както се досещате от заглавието, нуклеинови киселини (НК). Те заслужават особено внимание и в текста по-долу ще се спрем върху химичните им свойства, които ги правят подходяща “карта памет” за наследствената ни информация. Ще надникнем и в завладяващите механизми, по които става това и ще разберем защо бихме могли спокойно да кажем, че НК са диригентите на нашия живот.

Тази секция няма за цел да ви отегчи, а само да илюстрира пътя, който преминава идеята за наследствеността от не толкова далечното минало до днес. Следва кратка справка с най-важните открития:

• 1866 г. - Грегор Мендел публикува своя оригинален труд, в който излага основните принципи, по които чертите се предават в поколенията. Днес възприеман за баща на генетиката, неговите изследвания предизвикват немалка доза скептицизъм и ще трябва да минат години, за да бъдат преоткрити.
• 1869 г. - Фридрих Мишер изолира първата ДНК от ядрата на бели кръвни клетки и поради тази причина я нарича “нуклеин” (нуклеус = ядро). Малко по-късно името на новооткритата молекула се променя на “нуклеинова киселина”, тъй като има някои киселинни свойства.
• 1944 г. - Освалд Авери пръв прави връзката между наследствеността и ДНК.
• 1955 г. - Ъруин Чаргаф установява, че ДНК се различава по състав в различните организми и определя правила за състава на градивните ѝ единици.
• 1952 г. - Розалинд Франклин получава рентгенографска снимка на нишки ДНК. 
• 1953 г. - Уотсън и Крик разшифроват двойноверижната структура на ДНК, за което получават Нобелова награда.

Скица на ДНК, нарисувана с молив от Франсис Крик през 1953 г. Wikipedia

Откритията, свързани с нуклеиновите киселини и тяхната сложна организация далеч не свършват през 1953 г. Оттогава насам продължават да се правят множество открития, свързани с тях и генетиката, които ни показват колко необятна вселена се крие в нас.

Двата основни класа нуклеинови киселини са дезоксирибонулекиновите киселини (ДНК) и рибонукелеиновите киселини (РНК). ДНК е основна и тя съхранява наследствения материал на всички живи организми и на някои вируси.  Други вируси използват РНК като матрица за тяхната наследствена информация, но освен това РНК също се намира във всички живи организми,  тъй като изпълнява множество важни функции, основната от които е разчитането на генетичния код (ДНК) и производството на белтъци. Ако последното изречение не ви е станало напълно ясно, не се безпокойте, а продължете да четете. :)

• ДНК - играе ролята на “карта памет” в нашите клетки - тя съдържа генетичния ни код с инструкции за всички функции на нашите клетки. Тя е диригентът на всичко, което се случва в тях.
• РНК - има най-разнообразни видове РНК със съществени функции, но 3 са най-основните вида. Засега ще споменем само информационната РНК (иРНК). Нейната функция е да презаписва (транскрипция) генетичния код, т.е тя се превръща в носител на определени инструкции, кодирани в ДНК, който се разчита от клетъчни молекулярни машини, наречени рибозоми. Можем да кажем, че РНК представлява музикантите в нашата филхармонична аналогия.
• Белтък - това е крайният функционален продукт (подробности може да намерите тук), който се изгражда от рибозомите, след като разчетат РНК-овия носител на генетичната информация чрез процеса транслация. Рибозомите всъщност изграждат белтъците (може да ги срещнете и като протеини), а те от своя страна изпълняват инструкциите, записани в ДНК, и по този начин поддържат клетката жива. Белтъците са инструментите, които изпълняват клетъчната симфония на живота. 

Сравнение между ДНК и РНК. Wikipedia

Гореописаната последователност е известна като централна догма в биологията. Въпреки това е важно да подчертаем, че представеното е много опростен вариант на действителните процеси, които протичат. 

Сега, след като разбрахме в каква посока върви информационният поток в клетката, нека се отправим към химичната структура на НК. Разбира се, отново в опростен вариант, така че не се плашете. :)

НК са полинуклеотиди - това означава дълги полимерни молекули, подобни на верига, които са изградени от повтарящи се почти идентични градивни елементи (мономери) - нукеотиди. Всеки нуклеотид от своя страна е съставен от три части:

• Азотна база - това е органична структура, която образува пръстен и съдържа в себе си химичния елемент азот N. Азотните бази са 5 вида - аденин (А), тимин (Т), цитозин (Ц), гуанин (Г) и урацил (У). Всяка НК е изградена от последователности с 4 вида азотни бази. ДНК съдържа А, Т, Ц и Г. При РНК Т е заменено с У и това е една от основните разлики между двете НК. 
• Пентоза - това е петвъглеродна захар. При ДНК тя се нарича дезоксирибоза, а при РНК - рибоза. Разликата между двете е, че дезоксирибозата съдържа една -OH група по-малко от рибозата на 2’ позиция (отбелязана на фигурата).
• Фосфат - нуклеотидите във веригата на РНК или ДНК имат по една фосфатна група, която свързва 3’ ОН групата на пентозата от един нуклеотид с 5’ ОН групата на пентозата от следващия нуклеотид и т.н. Тази връзка е известна като фосфодиестерна връзка и е необходима за изграждането на полинуклеотидни вериги от единични нуклеотиди.

ДНК представлява дълга полинуклеотидна верига, която образува двойноверижна спирална структура. Съдържа нуклеотидите А, Т, Г и Ц, които са сдвоени по определени правила. А винаги се сдвоява с Т чрез две водородни връзки, а Г винаги се сдвоява с Ц чрез три водородни връзки. Така се образува двойна спирала, в която двете вериги са прикрепени една към друга и се казва, че едната верига е комплементарна на другата. Тази структура, заедно със стабилността на молекулата, правят ДНК най-подходящия носител на генетичната ни информация. Също така позволява механизъм за репликиране (удвояване) на ДНК и начин за разчитане на генетичната информация.

РНК от своя стана обикновено е съставена от една единствена верига. Тя е по-малко стабилна от ДНК и поради тази причина не е предпочетена за основен носител на генетичния материал. Също представлява полинуклеотидна верига, но съдържа А, У (вместо Т), Г и Ц. Изпълнява множество роли в клетката, но една от  най-основните е участието в презаписването на части от генетичния код (транскрипция), когато са необходими. След това РНК има централна роля и в разчитането на презаписаните гени от молекулните машини рибозоми (транслация). Това позволява произвеждането на функционалния продукт на съответния ген - белтък, който след това може да изпълнява своите функции в клетката. 

С тази статия поставихме основите за следващата тема, в която ще разберем с какво се занимава науката генетика. Най-важното, което трябва да запомните е, че ДНК е носител на наследствената информация. РНК използва този генетичен код като играе ролята на посредник между него и функционалните инструменти на клетката - белтъците. 

Четете още:

Епигенетиката или как начинът на живот управлява гените ни

Как гените определят приликата с родителите ни

Има ли смисъл да си направиш генетичен тест?