§6. Нуклеиновые кислоты
Что такое ДНК и РНК? Каковы их функции и значение в нашем мире? Из чего они состоят и как работают? Об этом и не только рассказывается в статье.
Что такое ДНК и РНК
Биологические науки, изучающие принципы хранения, реализации и передачи генетической информации, структуру и функции нерегулярных биополимеров относятся к молекулярной биологии.
Биополимеры, высокомолекулярные органические соединения, которые образовались из остатков нуклеотидов, являются нуклеиновыми кислотами. Они хранят информацию о живом организме, определяют его развитие, рост, наследственность. Эти кислоты участвуют в биосинтезе белка.
Различают два вида нуклеиновых кислот, содержащихся в природе:
- ДНК — дезоксирибонуклеиновая;
- РНК — рибонуклеиновая.
О том, что такое ДНК, миру было поведано в 1868 году, когда ее открыли в клеточных ядрах лейкоцитов и сперматозоидов лосося. Позже они были обнаружены во всех животных и растительных клетках, а также в бактериях, вирусах и грибах. В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик в результате рентгено-структурного анализа выстроили модель, состоящую из двух полимерных цепей, которые закручены спиралью одна вокруг другой. В 1962 году эти ученые были удостоены Нобелевской премии за свое открытие.
Дезоксирибонуклеиновая кислота
Что такое ДНК? Это нуклеиновая кислота, которая содержит генотип индивида и передает информацию по наследству, самовоспроизводясь. Поскольку эти молекулы являются очень большими, имеется огромное количество возможных последовательностей из нуклеотидов. Поэтому число различных молекул является фактически бесконечным.
Структура ДНК
Это самые крупные биологические молекулы. Их размер составляет от одной четверти у бактерий до сорока миллиметров в ДНК человека, что гораздо больше максимального размера белка. Они состоят из четырех мономеров, структурных компонентов нуклеиновых кислот — нуклеотидов, в которые входит азотистое основание, остаток фосфорной кислоты и дезоксирибоза.
Азотистые основания имеют двойное кольцо из углерода и азота— пурины, и одно кольцо — пиримидины.
Пуринами являются аденин и гуанин, а пиримидинами — тимин и цитозин. Они обозначаются заглавными латинскими буквами: A, G, T, C; а в русской литературе — на кириллице: А, Г, Т, Ц. При помощи химической водородной связи они соединяются друг с другом, в результате чего появляются нуклеиновые кислоты.
Во Вселенной именно спираль является наиболее распространенной формой. Так и структура ДНК молекулы тоже имеет ее. Полинуклеотидная цепочка закручена наподобие винтовой лестницы.
Цепи в молекуле направлены противоположно друг от друга. Получается, если в одной цепи от 3"-конца к 5", то в другой цепи ориентация будет наоборот от 5"-конца к 3".
Принцип комплементарности
Две нити соединяются в молекулу азотистыми основаниями таким образом, что аденин имеет связь с тимином, а гуанин — только с цитозином. Последовательно расположенные нуклеотиды в одной цепи определяют другую. Это соответствие, лежащее в основе появления новых молекул в результате репликации или удвоения, стало называться комплементарностью.
Получается, что число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а гуаниловые равны количеству цитидиловых. Это соответствие стало называться «правилом Чаргаффа».
Репликация
Процесс самовоспроизведения, протекающий под контролем ферментов, является основным свойством ДНК.
Все начинается с раскручивания спирали благодаря ферменту ДНК-полимеразы. После разрыва водородных связей, в одной и в другой нитях синтезируется дочерняя цепь, материалом для которой выступают свободные нуклеотиды, имеющиеся в ядре.
Каждая цепь ДНК является матрицей для новой цепи. В результате из одной получаются две абсолютно идентичные материнской молекулы. При этом одна нить синтезируется сплошной, а другая сначала фрагментарно, лишь затем соединяясь.
Гены ДНК
Молекула несет в себе всю важную информацию о нуклеотидах, определяет расположение аминокислот в белках. ДНК человека и всех других организмов хранит сведения о его свойствах, передавая их потомкам.
Частью ее является ген — группа нуклеотидов, которая кодирует информацию о белке. Совокупность генов клетки образует ее генотип или геном.
Гены расположены на определенном участке ДНК. Они состоят из определенного числа нуклеотидов, которые расположены в последовательной комбинации. Имеется в виду то, что ген не может поменять свое место в молекуле, и он имеет совершенно конкретное число нуклеотидов. Их последовательность уникальна. Например, для получения адреналина используется один порядок, а для инсулина — другой.
Кроме генов, в ДНК располагаются некодирующие последовательности. Они регулируют работу генов, помогают хромосомам и отмечают начало и конец гена. Но сегодня остается неизвестной роль большинства из них.
Рибонуклеиновая кислота
Эта молекула во многом схожа с дезоксирибонуклеиновой кислотой. Однако она не такая большая, как ДНК. И РНК также состоит из полимерных нуклеотидов четырех типов. Три из них сходны с ДНК, но вместо тимина в нее входит урацил (U или У). Кроме этого, РНК состоит из углевода — рибозы. Главным отличием служит то, что спираль этой молекулы является одинарной, в отличие от двойной в ДНК.
Функции РНК
В основе функций рибонуклеиновой кислоты лежат три различных вида РНК.
Информационная передает генетическую информацию от ДНК в цитоплазму ядра. Ее еще называют матричной. Это незамкнутая цепь, синтезирующаяся в ядре при помощи фермента РНК-полимеразы. Несмотря на то что в молекуле ее процентное содержание чрезвычайно низкое (от трех до пяти процентов клетки), на ней лежит важнейшая функция - являться матрицей для синтеза белков, информируя об их структуре с молекул ДНК. Один белок кодируется одной специфичной ДНК, поэтому их числовое значение равное.
Рибосомная в основном состоит из цитоплазматических гранул — рибосом. Р-РНК синтезируются в ядре. На их долю приходится примерно восемьдесят процентов всей клетки. Этот вид обладает сложной структурой, образовывая петли на комплементарных частях, что ведет к молекулярной самоорганизации в сложное тело. Среди них имеются три типа у прокариот, и четыре — у эукариот.
Транспортная действует в роли «адаптера», выстраивая в соответствующем порядке аминокислоты полипептидной цепи. В среднем, она состоит из восьмидесяти нуклеотидов. В клетке их содержится, как правило, почти пятнадцать процентов. Она предназначена переносить аминокислоты туда, где белок синтезируется. В клетке насчитывается от двадцати до шестидесяти типов транспортной РНК. У них всех — сходная организация в пространстве. Они приобретают структуру, которую называют клеверным листом.
Значение РНК и ДНК
Когда было открыто, что такое ДНК, ее роль не была такой очевидной. Даже сегодня, несмотря на то, что раскрыто намного больше информации, остаются без ответов некоторые вопросы. А какие-то, возможно, еще даже не сформулированы.
Общеизвестное биологическое значение ДНК и РНК заключаются в том, что ДНК передает наследственную информацию, а РНК участвует в синтезе белка и кодирует белковую структуру.
Однако существуют версии, что эта молекула связана с нашей духовной жизнью. Что такое ДНК человека в этом смысле? Она содержит всю информацию о нем, его жизнедеятельности и наследственности. Метафизики считают, что опыт прошлых жизней, восстановительные функции ДНК и даже энергия Высшего «Я» - Творца, Бога содержится в ней.
По их мнению, цепочки содержат коды, касающиеся всех аспектов жизни, включая и духовную часть. Но некоторая информация, например, о восстановлении своего тела, расположена в структуре кристалла многомерного пространства, находящегося вокруг ДНК. Она представляет собой двенадцатигранник и является памятью всей жизненной силы.
Ввиду того, что человек не обременяет себя духовными знаниями, обмен информации в ДНК с кристаллической оболочкой происходит очень медленно. У среднестатистического человека он составляет всего пятнадцать процентов.
Предполагается, что это было сделано специально для сокращения жизни человека и падения на уровень дуальности. Таким образом, у человека растет кармический долг, а на планете поддерживается необходимый для некоторых сущностей уровень вибрации.
| Показатели. | ДНК | РНК | АТФ |
| Нахождение в клетке | Ядро, митохондрии, пластиды. | Ядро, рибосомы, митохондрии, хлоропласты. | Цитоплазма, ядро, митохондрии. хлоропласты. |
| Нахождение в ядре. | Хроматин, хромосомы. | Ядрышко. | Кариоплазма. |
| Строение. | Две длинные полинуклеотидные цепочки, спирально закрученные антипараллельно относительно друг друга. | Одна короткая полинуклеотидная цепочка. | Мононуклеотид. |
| Мономеры. | Дезоксирибонуклеотиды. | Рибонуклеотиды. | Нет |
| Состав нуклеотида. | 1) азотистое основание - А, Г, Ц, Т, 2)углевод - дезоксирибоза 3)остаток фосфорной кислоты | 1)азотистое основание - А, Г, Ц, У, 2)углевод - рибоза 3) остаток фосфорной кислоты | 1)азотистое основание - А, 2)углевод 1 рибоза 3)три остатка фосфорной кислоты |
| Типы нуклеотидов. | Адениловый (А) Гуаниловый (Г) Цитидиловый (Ц) Тимидиловый (Т) | Адениловый (А) Гуаниловый (Г) Цитидиловый (Ц) Урациловый (У) | Адениловый (А) |
| Свойства. | 1) Способна к редуплекации или репликации (удвоению) по принципу комплеметарности (взаимодополняемость или соответствие) т.е. образование водородных святей между А-Т, Г-Ц, 2) Стабильна (не меняет место нахождения). | 1)Неспособна к редуплекации, кроме РНК вирусов, 2) Лабильна (переходит из ядра в цитоплазму). | В результате гидролиза от АТФ по одному отщепляются остатки фосфорной кислоты и высвобождается энергия. АТФ-АДФ-АМФ |
| Функции. | 1) Хранит, передаёт и воспроизводит генетическую информацию 2) Регулирует жизнедеятельность клетки. | 1) Участвует в биосинтезе белка а) и-РНК и м-РНК переносят генетическую информацию от ДНК к месту синтеза белка, б) р-РНК образует рибосому, в) т-РНК находит и переносит аминокислоты к месту синтеза белка, 2) в-РНК хранит, передаёт и воспроизводит генетическую информацию вируса. | 1) Энергетическая. |
| Особенности. | 1) Ядерная ДНК длинная, связана с белками и образует линейную хромосому. 2) Митохондриальная короткая и кольцевая, связана с белками и образует кольцевую хромосому. 3) У прокариот ДНК замкнута в кольцо, не связана с белками и не образует хромосому. | 1) Двухцепочечные РНК встречаются у некоторых вирусов. 2) 5 видов РНК: и-РНК информационная. м-РНК матричная, р-РНК рибосомная, т-РНК транспортная, в-РНК вирусная | 1) Остатки фосфорной кислоты соединены между собой макроэргическими (высокоэнергетическими) связями. 2) Молекула АТФ неустойчива, существует менее 1 минуты, восстанавливается и расщепляется 2400 раз в сутки. |
Репликация ДНК, генетический код, реализация генетической информации.
3.1. Репликация ДНК . Поскольку ДНК является молекулой наследственности, то для реализации этого свойства она должна точно копировать саму себя и таким образом сохранять имеющуюся в исходной молекуле ДНК информацию в виде определённой последовательности нуклеотидов. Это обеспечивается за счёт особого процесса, который называется репликацией или редупликацией.
Репликация - это удвоение молекулы ДНК. В основе репликации лежат правила Эдвина Чаргаффа (А+Г=Т+Ц) т.е. сумма пуриновых оснований равна сумме пиримидиновых оснований. Строгое соответствие нуклеотидов друг другу в парных цепочках ДНК называется комплементарностью (взаимодополняемостью).
Этапы репликации:
| № | Этапы репликации. |
| Специальные ферменты раскручивают двойную спираль молекулы ДНК и разрывают водородные связи между цепочками. | |
| Фермент ДНК-полимераза движется вдоль одной цепочки ДНК от 3 атома углерода к 5 атому и по правилу комплементарности (А-Т, Г-Ц) присоединяет соответствующие нуклеотиды. Эта цепочка называется лидирующей, её удвоение идет непрерывно. | |
| Вторая цепочка отстающая расположена антипаралельно первой, а ДНК-полимераза 1 может двигаться только в одном направлении от З атома углерода к 5 атому, следовательно, она копируется отдельными фрагментами по мере раскручивания молекулы ДНК. Фрагменты сшиваются специальными ферментами - лигазами по принципу антипараллельности. | |
| После репликации каждая молекула ДНК содержит одну «материнскую» цепочку и вторую вновь синтезированную «дочернюю». Такой принцип синтеза называется полуконсервативным, т.е. одна цепочка в новой молекуле ДНК «старая», а вторая «новая». |
Генетический код.
Для молекулы наследственности, которой является ДНК, свойственно не только самоудвоение (репликация), но и кодирование информации с помощь определённой последовательности нуклеотидов. Известно, что ДНК состоит из четырёх видов нуклеотидов, то есть информация в ДНК записывается 4 буквами (А, Т, Г, Ц). Математические расчёты показывают, что
1. Если использовать 1 нуклеотид, то получим 4 разных сочетания, 4<20.
2. Если использовать 2 нуклеотида, то получим 16 разных сочетаний (4 2 =16), 16<20.
- Если использовать 3 нуклеотида, то получим 64 разных сочетания (4 3 =64), 64>20.
Таким образом, комбинации из 3 нуклеотидов будет достаточно, чтобы закодировать 20 аминокислот. Из 64 возможных триплетов 61 триплет кодирует 20 незаменимых аминокислот, обнаруженных в составе клеточных белков, а 3 триплета являются стоп- сигналами или терминаторами, которые прекращают считывание информации.
Сочетания из трёх нуклеотидов, кодирующие определённые аминокислоты, называются кодом ДНК, или генетическим кодом. В настоящее время генетический код полностью расшифрован, то есть известно, какие триплетные сочетания нуклеотидов кодируют 20 аминокислот. Пользуясь комбинацией, состоящей из трёх нуклеотидов, можно закодировать больше аминокислот, чем необходимо для кодирования 20 аминокислот. Оказалось, что каждая аминокислота может кодироваться несколькими триплетами, кроме метионина и триптофана. Аминокислоты входящие в состав природных белков могут относится к разным группам, заменимые кислоты (З), незаменимые (НЗ).
Генетический код - это система записи генетической информации в ДНК в виде определённой последовательности нуклеотидов (или способ записи последовательности аминокислот в белке с помощью нуклеотидов).
Генетический код обладает несколькими свойствами (7 свойств).
Углеводы - это органические соединения, в состав которых входят углерод, водород и кислород. Углеводы делятся на моно-, ди- и полисахариды.
Моносахариды - простые сахара, состоящие из 3 и более атомов С. Моносахариды: глюкоза, рибоза и дезоксирибоза. Не гидролизуются, могут кристаллизоваться, растворимы в воде, имеют сладкий вкус
Полисахариды образуются в результате полимеризации моносахаридов. При этом утрачивают способность к кристаллизации, сладкий вкус. Пример - крахмал, гликоген, целлюлоза.
1. Энергетическая - это основной источник энергии в клетке (1 грамм=17,6 кДж)
2. структурная-входят в состав оболочек растительных клеток (целлюлоза) и животных клеток
3. источник для синтеза других соединений
4. запасающая (гликоген - у животных клеток, крахмал - у растительных)
5. соединительная
Липиды - сложные соединения глицерина и жирных кислот. Нерастворимы в воде, только в органических растворителях. Различают простые и сложные липиды.
Функции липидов:
1. структурная - основа, для всех мембран клетки
2. энергетическая (1 г=37,6 кДж)
3. запасающая
4. теплоизоляционная
5. источник внутриклеточной воды
АТФ - единое универсальное энергоемкое вещество в клетках растений, животных и микроорганизмов. С помощью АТФ осуществляется накопление и транспорт энергии в клетке. В состав АТФ входят: азотистое основание–адеин, углевод рибоза и три остатка фосфорной кислоты. Фосфатные группы соединены между собой с помощью макроэргических связей. Функции АТФ - перенос энергии.
Белки являются преобладающим веществом во всех живых организмов. Белок - полимер, мономером которого являютсяаминокислоты (20). Аминокислоты соединяются в белковой молекуле с помощью пептидных связей, образующихся между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксильной группой другой. Каждая клетка имеет уникальный набор белков.
Различают несколько уровней организации белковой молекулы. Первичная структура-последовательность аминокислот, соединенных пептидной связью. Эта структура определяет специфичность белка. Во вторичной структуре молекула имеет вид спирали, ее устойчивость обеспечивается водородными связями. Третичная структура формируется в результате преобразования спирали в трехмерную шаровидную форму - глобулу. Четвертичная возникает при объединении несколько молекул белков в единый комплекс. Функциональная активность белков проявляется во 2,3,или 3-ой структуре.
Структура белков изменяется под влиянием различных химических веществ (кислоты, щелочи, спирта и других) и физических факторов (высокой и низкой t,излучения), ферментов. Если при этих изменениях сохраняется первичная структура, процесс обратим и называется денатурация. Разрушение первичной структуры называется коагуляцией (необратимый процесс разрушения белка)
Функции белков
1. структурная
2. каталитическая
3. сократительная (белки актин и миозин в мышечных волокнах)
4. транспортная (гемоглобин)
5. регуляторная (инсулин)
6. сигнальная
7. защитная
8. энергетическая (1 г=17,2 кДж)
Виды нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты - фосфорсодержащие биополимеры живых организмов, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации. Они были открыты в 1869 г. швейцарским биохимиком Ф. Мишером в ядрах лейкоцитов, сперматозоидов лосося. Впоследствии нуклеиновые кислоты обнаружили во всех растительных и животных клетках, вирусах, бактериях и грибах.
В природе существует два вида нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Различие в названиях объясняется тем, что молекула ДНК содержит пятиуглеродный сахар дезоксирибозу, а молекула РНК - рибозу.
ДНК находится преимущественно в хромосомах клеточного ядра (99% всей ДНК клетки), а также в митохондриях и хлоропластах. РНК входит в состав рибосом; молекулы РНК содержатся также в цитоплазме, матриксе пластид и митохондрий.
Нуклеотиды - структурные компоненты нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты представляют собой биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.
Нуклеотиды - сложные вещества. В состав каждого нуклеотида входит азотистое основание, пятиуглеродный сахар (рибоза или дезоксирибоза) и остаток фосфорной кислоты.
Существует пять основных азотистых оснований: аденин, гуанин, урацил, тимин и цитозин.
ДНК. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных, спирально закрученных относительно друг друга цепочек.
В состав нуклеотидов молекулы ДНК входят четыре вида азотистых оснований: аденин, гуанин, тимин и цитоцин. В полинуклеотидной цепочке соседние нуклеотиды связаны между собой ковалентными связями.
Полинуклеотидная цепь ДНК закручена в виде спирали наподобие винтовой лестницы и соединена с другой, комплементарной ей цепью с помощью водородных связей, образующихся между аденином и тимином (две связи), а также гуанином и цитозином (три связи). Нуклеотиды А и Т, Г и Ц называются комплементарными.
В результате у всякого организма число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых - числу цитидиловых. Благодаря этому свойству последовательность нуклеотидов в одной цепи определяет их последовательность в другой. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов называется комплемен-тарностью, и это свойство лежит в основе образования новых молекул ДНК на базе исходной молекулы (репликации, т. е. удвоения).
При изменении условий ДНК, подобно белкам, может подвергаться денатурации, которая называется плавлением. При постепенном возврате к нормальным условиям ДНК ренатурирует.
Функцией ДНК является хранение, передача и воспроизведение в ряду поколений генетической информации. В ДНК любой клетки закодирована информация обо всех белках данного организма, о том, какие белки, в какой последовательности и в каком количестве будут синтезироваться. Последовательность аминокислот в белках записана в ДНК так называемым генетическим (триплетным) кодом.
Основным свойством ДНК является ее способность к репликации.
Репликация - это процесс самоудвоения молекул ДНК, происходящий под контролем ферментов. Репликация осуществляется перед каждым делением ядра. Начинается она с того, что спираль ДНК временно раскручивается под действием фермента ДНК-полимеразы. На каждой из цепей, образовавшихся после разрыва водородных связей, по принципу комплементарности синтезируется дочерняя цепь ДНК. Материалом для синтеза служат свободные нуклеотиды, которые есть в ядре
Таким образом, каждая полинуклеотидная цепь выполняет роль матрицы для новой комплементарной цепи (поэтому процесс удвоения молекул ДНК относится к реакциям матричного синтеза). В результате получается две молекулы ДНК, у каждой из которых " одна цепь остается от родительской молекулы (половина), а другая - вновь синтезированная. Причем одна новая цепь синтезируются сплошной, а вторая - сначала в виде коротких фрагментов, которые затем сшиваются в длинную цепь специальным ферментом - ДНК-лигазой. В результате репликации две новые молекулы ДНК представляют собой точную копию исходной молекулы.
Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской клетки к дочерним, что и происходит при делении соматических клеток.
РНК. Строение молекул РНК во многом сходно со строением молекул ДНК. Однако имеется и ряд существенных отличий. В молекуле РНК вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов входит рибоза, вместо тимидилового нуклеотида (Т) - уридиловый (У). Главное отличие от ДНК состоит в том, что молекула РНК представляет собой одну цепь. Однако ее нуклеотиды способны образовывать водородные связи между собой (например, в молекулах тРНК, рРНК), но в этом случае речь идет о внутрицепочечном соединении комплементарных нуклеотидов. Цепочки РНК значительно короче ДНК.
В клетке существует несколько видов РНК, которые различаются по величине молекул, структуре, расположению в клетке и функциям:
1. Информационная (матричная) РНК (иРНК) - переносит генетическую информацию с ДНК на рибосомы
2. Рибосомная РНК (рРНК) - входит в состав рибосом
3. 3. Транспортная РНК (тРНК) - переносит аминокислоты к рибосомам во время синтеза белка
К нуклеиновым кислотам относят высокополимерные соединения, распадающиеся при гидролизе на пуриновые и пиримидиновые основания, пентозу и фосфорную кислоту. Нуклеиновые кислоты содержат углерод, водород, фосфор, кислород и азот. Различают два класса нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) .
Строение и функции ДНК
ДНК — полимер, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды. Модель пространственного строения молекулы ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком (для построения этой модели они использовали работы М. Уилкинса, Р. Франклин, Э. Чаргаффа).
Молекула ДНК образована двумя полинуклеотидными цепями, спирально закрученными друг около друга и вместе вокруг воображаемой оси, т.е. представляет собой двойную спираль (исключение — некоторые ДНК-содержащие вирусы имеют одноцепочечную ДНК). Диаметр двойной спирали ДНК — 2 нм, расстояние между соседними нуклеотидами — 0,34 нм, на один оборот спирали приходится 10 пар нуклеотидов. Длина молекулы может достигать нескольких сантиметров. Молекулярный вес — десятки и сотни миллионов. Суммарная длина ДНК ядра клетки человека — около 2 м. В эукариотических клетках ДНК образует комплексы с белками и имеет специфическую пространственную конформацию.
Мономер ДНК — нуклеотид (дезоксирибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания нуклеиновых кислот относятся к классам пиримидинов и пуринов. Пиримидиновые основания ДНК (имеют в составе своей молекулы одно кольцо) — тимин, цитозин. Пуриновые основания (имеют два кольца) — аденин и гуанин.
Моносахарид нуклеотида ДНК представлен дезоксирибозой.
Название нуклеотида является производным от названия соответствующего основания. Нуклеотиды и азотистые основания обозначаются заглавными буквами.
Полинуклеотидная цепь образуется в результате реакций конденсации нуклеотидов. При этом между 3"-углеродом остатка дезоксирибозы одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает фосфоэфирная связь (относится к категории прочных ковалентных связей). Один конец полинуклеотидной цепи заканчивается 5"-углеродом (его называют 5"-концом), другой — 3"-углеродом (3"-концом).
Против одной цепи нуклеотидов располагается вторая цепь. Расположение нуклеотидов в этих двух цепях не случайное, а строго определенное: против аденина одной цепи в другой цепи всегда располагается тимин, а против гуанина — всегда цитозин, между аденином и тимином возникают две водородные связи, между гуанином и цитозином — три водородные связи. Закономерность, согласно которой нуклеотиды разных цепей ДНК строго упорядоченно располагаются (аденин — тимин, гуанин — цитозин) и избирательно соединяются друг с другом, называется принципом комплементарности . Следует отметить, что Дж. Уотсон и Ф. Крик пришли к пониманию принципа комплементарности после ознакомления с работами Э. Чаргаффа. Э. Чаргафф, изучив огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, установил, что в любом фрагменте ДНК содержание остатков гуанина всегда точно соответствует содержанию цитозина, а аденина — тимину («правило Чаргаффа» ), но объяснить этот факт он не смог.
Из принципа комплементарности следует, что последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой.
Цепи ДНК антипараллельны (разнонаправлены), т.е. нуклеотиды разных цепей располагаются в противоположных направлениях, и, следовательно, напротив 3"-конца одной цепи находится 5"-конец другой. Молекулу ДНК иногда сравнивают с винтовой лестницей. «Перила» этой лестницы — сахарофосфатный остов (чередующиеся остатки дезоксирибозы и фосфорной кислоты); «ступени» — комплементарные азотистые основания.
Функция ДНК — хранение и передача наследственной информации.
Репликация (редупликация) ДНК
— процесс самоудвоения, главное свойство молекулы ДНК. Репликация относится к категории реакций матричного синтеза, идет с участием ферментов. Под действием ферментов молекула ДНК раскручивается, и около каждой цепи, выступающей в роли матрицы, по принципам комплементарности и антипараллельности достраивается новая цепь. Таким образом, в каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая — вновь синтезированной. Такой способ синтеза называется полуконсервативным .
«Строительным материалом» и источником энергии для репликации являются дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ), содержащие три остатка фосфорной кислоты. При включении дезоксирибонуклеозидтрифосфатов в полинуклеотидную цепь два концевых остатка фосфорной кислоты отщепляются, и освободившаяся энергия используется на образование фосфодиэфирной связи между нуклеотидами.
В репликации участвуют следующие ферменты:
- геликазы («расплетают» ДНК);
- дестабилизирующие белки;
- ДНК-топоизомеразы (разрезают ДНК);
- ДНК-полимеразы (подбирают дезоксирибонуклеозидтрифосфаты и комплементарно присоединяют их к матричной цепи ДНК);
- РНК-праймазы (образуют РНК-затравки, праймеры);
- ДНК-лигазы (сшивают фрагменты ДНК).
С помощью геликаз в определенных участках ДНК расплетается, одноцепочечные участки ДНК связываются дестабилизирующими белками, образуется репликационная вилка . При расхождении 10 пар нуклеотидов (один виток спирали) молекула ДНК должна совершить полный оборот вокруг своей оси. Чтобы предотвратить это вращение ДНК-топоизомераза разрезает одну цепь ДНК, что дает ей возможность вращаться вокруг второй цепи.
ДНК-полимераза может присоединять нуклеотид только к 3"-углероду дезоксирибозы предыдущего нуклеотида, поэтому данный фермент способен передвигаться по матричной ДНК только в одном направлении: от 3"-конца к 5"-концу этой матричной ДНК. Так как в материнской ДНК цепи антипараллельны, то на ее разных цепях сборка дочерних полинуклеотидных цепей происходит по-разному и в противоположных направлениях. На цепи 3"-5" синтез дочерней полинуклеотидной цепи идет без перерывов; эта дочерняя цепь будет называться лидирующей . На цепи 5"-3" — прерывисто, фрагментами (фрагменты Оказаки ), которые после завершения репликации ДНК-лигазами сшиваются в одну цепь; эта дочерняя цепь будет называться запаздывающей (отстающей ).
Особенностью ДНК-полимеразы является то, что она может начинать свою работу только с «затравки» (праймера ). Роль «затравок» выполняют короткие последовательности РНК, образуемые при участи фермента РНК-праймазы и спаренные с матричной ДНК. РНК-затравки после окончания сборки полинуклеотидных цепочек удаляются.
Репликация протекает сходно у прокариот и эукариот. Скорость синтеза ДНК у прокариот на порядок выше (1000 нуклеотидов в секунду), чем у эукариот (100 нуклеотидов в секунду). Репликация начинается одновременно в нескольких участках молекулы ДНК. Фрагмент ДНК от одной точки начала репликации до другой образует единицу репликации — репликон .
Репликация происходит перед делением клетки. Благодаря этой способности ДНК осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним.
Репарация («ремонт»)
Репарацией называется процесс устранения повреждений нуклеотидной последовательности ДНК. Осуществляется особыми ферментными системами клетки (ферменты репарации ). В процессе восстановления структуры ДНК можно выделить следующие этапы: 1) ДНК-репарирующие нуклеазы распознают и удаляют поврежденный участок, в результате чего в цепи ДНК образуется брешь; 2) ДНК-полимераза заполняет эту брешь, копируя информацию со второй («хорошей») цепи; 3) ДНК-лигаза «сшивает» нуклеотиды, завершая репарацию.
Наиболее изучены три механизма репарации: 1) фоторепарация, 2) эксцизная, или дорепликативная, репарация, 3) пострепликативная репарация.
Изменения структуры ДНК происходят в клетке постоянно под действием реакционно-способных метаболитов, ультрафиолетового излучения, тяжелых металлов и их солей и др. Поэтому дефекты систем репарации повышают скорость мутационных процессов, являются причиной наследственных заболеваний (пигментная ксеродерма, прогерия и др.).
Строение и функции РНК
— полимер, мономерами которой являются рибонуклеотиды . В отличие от ДНК, РНК образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой (исключение — некоторые РНК-содержащие вирусы имеют двухцепочечную РНК). Нуклеотиды РНК способны образовывать водородные связи между собой. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК.
Мономер РНК — нуклеотид (рибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания РНК также относятся к классам пиримидинов и пуринов.
Пиримидиновые основания РНК — урацил, цитозин, пуриновые основания — аденин и гуанин. Моносахарид нуклеотида РНК представлен рибозой.
Выделяют три вида РНК : 1) информационная (матричная) РНК — иРНК (мРНК), 2) транспортная РНК — тРНК, 3) рибосомная РНК — рРНК.
Все виды РНК представляют собой неразветвленные полинуклеотиды, имеют специфическую пространственную конформацию и принимают участие в процессах синтеза белка. Информация о строении всех видов РНК хранится в ДНК. Процесс синтеза РНК на матрице ДНК называется транскрипцией.
Транспортные РНК содержат обычно 76 (от 75 до 95) нуклеотидов; молекулярная масса — 25 000-30 000. На долю тРНК приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке. Функции тРНК: 1) транспорт аминокислот к месту синтеза белка, к рибосомам, 2) трансляционный посредник. В клетке встречается около 40 видов тРНК, каждый из них имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов. Однако у всех тРНК имеется несколько внутримолекулярных комплементарных участков, из-за которых тРНК приобретают конформацию, напоминающую по форме лист клевера. У любой тРНК есть петля для контакта с рибосомой (1), антикодоновая петля (2), петля для контакта с ферментом (3), акцепторный стебель (4), антикодон (5). Аминокислота присоединяется к 3"-концу акцепторного стебля. Антикодон — три нуклеотида, «опознающие» кодон иРНК. Следует подчеркнуть, что конкретная тРНК может транспортировать строго определенную аминокислоту, соответствующую ее антикодону. Специфичность соединения аминокислоты и тРНК достигается благодаря свойствам фермента аминоацил-тРНК-синтетаза.
Рибосомные РНК содержат 3000-5000 нуклеотидов; молекулярная масса — 1 000 000-1 500 000. На долю рРНК приходится 80-85% от общего содержания РНК в клетке. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы — органоиды, осуществляющие синтез белка. В эукариотических клетках синтез рРНК происходит в ядрышках. Функции рРНК : 1) необходимый структурный компонент рибосом и, таким образом, обеспечение функционирования рибосом; 2) обеспечение взаимодействия рибосомы и тРНК; 3) первоначальное связывание рибосомы и кодона-инициатора иРНК и определение рамки считывания, 4) формирование активного центра рибосомы.
Информационные РНК разнообразны по содержанию нуклеотидов и молекулярной массе (от 50 000 до 4 000 000). На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке. Функции иРНК : 1) перенос генетической информации от ДНК к рибосомам, 2) матрица для синтеза молекулы белка, 3) определение аминокислотной последовательности первичной структуры белковой молекулы.
Строение и функции АТФ
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — универсальный источник и основной аккумулятор энергии в живых клетках. АТФ содержится во всех клетках растений и животных. Количество АТФ в среднем составляет 0,04% (от сырой массы клетки), наибольшее количество АТФ (0,2-0,5%) содержится в скелетных мышцах.
АТФ состоит из остатков: 1) азотистого основания (аденина), 2) моносахарида (рибозы), 3) трех фосфорных кислот. Поскольку АТФ содержит не один, а три остатка фосфорной кислоты, она относится к рибонуклеозидтрифосфатам.
Для большинства видов работ, происходящих в клетках, используется энергия гидролиза АТФ. При этом при отщеплении концевого остатка фосфорной кислоты АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту), при отщеплении второго остатка фосфорной кислоты — в АМФ (аденозинмонофосфорную кислоту). Выход свободной энергии при отщеплении как концевого, так и второго остатков фосфорной кислоты составляет по 30,6 кДж. Отщепление третьей фосфатной группы сопровождается выделением только 13,8 кДж. Связи между концевым и вторым, вторым и первым остатками фосфорной кислоты называются макроэргическими (высокоэнергетическими).
Запасы АТФ постоянно пополняются. В клетках всех организмов синтез АТФ происходит в процессе фосфорилирования, т.е. присоединения фосфорной кислоты к АДФ. Фосфорилирование происходит с разной интенсивностью при дыхании (митохондрии), гликолизе (цитоплазма), фотосинтезе (хлоропласты).
АТФ является основным связующим звеном между процессами, сопровождающимися выделением и накоплением энергии, и процессами, протекающими с затратами энергии. Кроме этого, АТФ наряду с другими рибонуклеозидтрифосфатами (ГТФ, ЦТФ, УТФ) является субстратом для синтеза РНК.
Перейти к лекции №3 «Строение и функции белков. Ферменты»
Перейти к лекции №5 «Клеточная теория. Типы клеточной организации»
Учебные цели:
- углубление и обобщение знаний о строении и значении нуклеиновых кислот.
- формирование знаний об энергетическом веществе клетки – АТФ
Знать: Нуклеиновые кислоты. ДНК – химический состав, строение, удвоение ДНК, биологическая роль. РНК, АТФ – структура, синтез, биологические функции.
Уметь: составлять схемы цепочек ДНК и РНК по принципу комплементарности.
Задачи урока:
- Образовательные: ввести понятие нуклеиновых кислот, раскрыть особенности их состава и строения, функций, познакомить с азотистыми основаниями и пространственной организацией ДНК и РНК, основными видами РНК, определить черты сходства и различия между РНК и ДНК, сформировать понятие об энергетическом веществе клетки – АТФ, изучить строение и функции этого вещества.
- Развивающие: развивать умения сравнивать, оценивать, составлять общую характеристику нуклеиновых кислот, развитие воображения, логическое мышление, внимание и память.
- Воспитывающие: воспитывать дух соревнования, коллективизма, точность и быстроту ответов; осуществлять эстетическое воспитание, воспитание правильного поведения на уроке, профориентация.
Вид занятий: комбинированный урок – 80 минут.
Методы и методические приемы : рассказ с элементами беседы, демонстрация.
Оборудование: рисунки учебника, таблицы, модель ДНК, доска.
Оснащение занятий:
- тестовые задания;
- карточки для индивидуального опроса.
Ход занятия
I .Организационная часть:
- проверка присутствующих;
- проверка аудитории и группы к занятию;
- запись в журнале.
II. Контроль уровня знаний:
III. Сообщение темы.
IV. Изложение нового материала.
План изложения материала:
- История изучения нуклеиновых кислот.
- Строение и функции.
- Состав, нуклеотиды.
- Принцип комплементарности.
- Структура ДНК.
- Функции.
- Репликация ДНК.
- РНК – состав, строение, виды, функции.
- АТФ – строение и функции.
Какое вещество является носителем наследственной информации? Какие особенности его строения обеспечивают многообразие наследственной информации и ее передачу?
В апреле 1953 года великий датский физик Нильс Бор получил письмо от американского ученого Макса Дельбрюка, где он писал:"Потрясающие вещи происходят в биологии. Мне кажется, что Джеймс Уотсон сделал открытие, сравнимое с тем, что сделал Резерфорд в 1911 году (открытие атомного ядра)".
Джеймс Дьюи Уотсон родился в США в 1928 году. Еще студентом Чикагского университета он занялся самой актуальной тогда проблемой в биологии – ролью генов в наследственности. В 1951 году, приехав на стажировку в Англию, в Кембридж, он знакомится с Френсисом Криком.
Френсис Крик почти на 12 лет старше Уотсона. Он родился в 1916 году и по окончании Лондонского колледжа работал в Кембриджском университете.
В конце 19 века известно, что в ядре находятся хромосомы и они состоят из ДНК и белка. Знали, что ДНК передает наследственную информацию, но главное оставалось тайной. Как же работает такая сложная система? Решить эту задачу можно было, только узнав устройство загадочной ДНК.
Уотсон и Крик должны были придумать такую модель ДНК, которая соответствовала бы рентгеновской фотографии. Моррису Уилкинсу удалось “сфотографировать” молекулу ДНК с помощью рентгеновских лучейПосле 2-х лет кропотливой работы ученые предложили изящную и простую модель ДНКПотом еще 10 лет после этого открытия ученые разных стран проверяли догадки Уотсона и Крика и, наконец, вердикт был вынесен: “Все верно, ДНК устроена именно так!” Уотсон, Крик и Моррис Уилкинс получили за это открытие в 1953 году Нобелевскую премию.
ДНК – полимер.
Актуализация знаний: Что такое полимер?
Что такое мономер?
Мономерами ДНК являются нуклеотиды, которые состоят из:
- Азотистого основания
- Сахара дезоксирибозы
- Остатка фосфорной кислоты
Зарисовать схему нуклеотида на доске.
В молекуле ДНК обнаружены различные азотистые основания:
- Аденин (А), обозначим это азотистое основание
- Тимин (Т), обозначим это азотистое основание
- Гуанин (Г), обозначим это азотистое основание
- Цитозин (Ц), обозначим это азотистое основание
Вывод, что нуклеотидов – 4, и они отличаются только азотистыми основаниями.
Цепочка ДНК состоит из чередующихся нуклеотидов, связанных ковалентной связью: сахар одного нуклеотида и остаток фосфорной кислоты – другого нуклеотида. В клетке обнаружено не просто ДНК, состоящее из одной нити, а более сложное образование. В этом образовании две нити нуклеотидов связанные азотистыми основаниями (водородными связями) по принципу комплементарности.
Можно предположить, что получающаяся цепочка ДНК сворачивается в спираль из-за разного количества водородных связей между азотистыми основаниями разных цепочек и таким образом принимает самую выгодную форму. Такая структура достаточно прочная, разрушить ее трудно. И, тем не менее, это происходит в клетке регулярно.
В качестве вывода составляется опорный конспект:
- НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
- ПОЛИМЕРЫ
- ДНК – двойная спираль
- Крик, Уотсон – 1953,
- Нобелевская премия
- комплементарность
- Хранение наследственной информации
- Воспроизведение наследственной информации
- Передача наследственной информации
Рибонуклеиновая кислота (РНК), также линейный полимер, но гораздо более короткий. Основания РНК комплементарны основаниям ДНК, но в молекуле РНК однооснование – тимин (Т) – заменено на урацил (У) и вместо дезоксирибозы использована просто рибоза, имеющая на один атом кислорода больше. Кроме того, РНК – одноцепочечная структура.
Природа создала три основных вида молекул РНК.
Молекулы, считывающие информацию с ДНК, называются информационными РНК (и-РНК). Такая молекула быстро соединяется с рибосомой, непродолжительное время работает как матрица (поэтому называется еще и матричной, или м-РНК), «износившись», разваливается, и на ее место встает новая молекула и-РНК. Этот процесс идет непрерывно на протяжении всей жизни клетки.
Молекулы РНК другого типа имеют гораздо меньшие размеры и разделены на 20 разновидностей в соответствии с количеством разных аминокислот, входящих в белки. Каждая молекула этого типа с помощью определенного фермента соединяется с одной из 20 аминокислот и доставляет ее к рибосоме, уже соединенной с и-РНК. Это – транспортная РНК (т-РНК).
Наконец, в рибосомах есть своя, рибосомная, РНК (р-РНК), не несущая генетической информации, но входящая в состав рибосомсом.
Учащиеся самостоятельно составляют опорный конспект по РНК
РНК – одиночная цепочка
А, У, Ц, Г – нуклеотиды
Виды РНК –
- и-РНК
- т-РНК
- р-РНК
Биосинтез белка
Ученые выяснили, что каждая молекула тела использует особое излучение, самые сложные вибрации издает молекула ДНК. Внутренняя “музыка” сложна и разнообразна и, что самое удивительное, в ней четко прослеживаются определенные ритмы. Преобразованные компьютером в графическую картинку, они являют собой завораживающее зрелище. Можно следить за ними часами, месяцами, годами – все время “оркестр” будет исполнять вариации на знакомую тему. Играет он не для собственного удовольствия, а на благо организма: ритм, заданный ДНК и “подхваченный” белками и другими молекулами, лежит в основе всех биологических связей, составляет нечто вроде каркаса жизни; нарушение ритма влечет за собой старение и болезнь. У молодых этот ритм более энергичный, поэтому они любят слушать рок или джаз, с возрастом белковые молекулы теряют свой ритм, поэтому более взрослые люди любят слушать классику. Классическая музыка совпадает с ритмом ДНК (академик Российской академии В.Н. Шабалин изучал это явление).
Можно дать совет: Начинай утро с хорошей мелодии и проживешь дольше!
Аденозинтрифосфорная кислота. Универсальный биологический аккумулятор энергии. Высококалорийное клеточное «топливо». Содержит 2 макроэргические связи. Макроэргическими называются соединения, в химических связях которых запасена энергия в форме, доступной для использования в биологических процессах.
АТФ (нуклеотид) состоит:
- азотистое основание
- углевод,
- 3 молекулы Н 3 РО 4
Макроэргические связи
- АТФ + Н 2 О - АДФ + Ф + Е (40 к Дж/ моль)
- АДФ + Н 2 О - АМФ + Ф + Е (40 к Дж/ моль)
Энергетическая эффективность двух макроэргических связей составляет 80 к Дж/моль. АТФ образуется в митохондриях клеток животных и хлоропластах растений Энергия АТФ используется на движение, биосинтез, деление и др. Средняя продолжительность жизни 1 молекулы АТФ менее 1 мин, т.к. она расщепляется и восстанавливается 2400 раз в сутки.
V. Обобщение и систематизация.
Фронтальный опрос:
- Объясните, что такое нуклеиновые кислоты?
- Какие виды НК вы знаете?
- Являются ли НК полимерами?
- Каков состав нуклеотида ДНК?
- Каков состав нуклеотида РНК?
- В чем сходство и различие между нуклеидами РНК и ДНК?
- АТФ – постоянный источник энергии для клетки. Его роль можно сравнить с ролью аккумулятора. Объясните, в чем заключается это сходство.
- Какое строение имеет АТФ?
VI. Закрепление нового материала:
Решить задачу:
Одна из цепей фрагмента молекулы ДНК имеет следующее строение: Г- Г-Г-А -Т-А-А-Ц-А-Г-А-Т
а) Укажите строение противоположной цепи
б) Укажите последовательность нуклеотидов в молекуле и – РНК, построенной на этом участке цепи ДНК.
Задание: составить синквейн.
ДНК
хранит, передает
длинная, спиралеобразная, закрученная
1953 год Нобелевская премия
полимер
VII. Заключительная часть:
- оценка работы,
- замечания.
VIII. Домашнее задание:
- параграф учебника,
- составить кроссворд на тему: «Нуклеиновые кислоты»,
- подготовить сообщения по теме «Органические вещества клетки» .
