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.
| Азотистое основание | Название нуклеотида | Обозначение |
|---|---|---|
| Аденин | Адениловый | А (A) |
| Гуанин | Гуаниловый | Г (G) |
| Тимин | Тимидиловый | Т (T) |
| Цитозин | Цитидиловый | Ц (C) |
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 называетсяполуконсервативным .
«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 называтьсялидирующей . 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.
Важнейшим веществом в клетках живых организмов является аденозинтрифосфорная кислота или аденозинтрифосфат. Если ввести аббревиатуру этого названия, то получим АТФ (англ. ATP). Это вещество относится к группе нуклеозидтрифосфатов и играет ведущую роль в процессах метаболизма в живых клетках, являясь для них незаменимым источником энергии.
Вконтакте
Первооткрывателями АТФ стали учёные-биохимики гарвардской школы тропической медицины - Йеллапрагада Суббарао, Карл Ломан и Сайрус Фиске. Открытие произошло в 1929 году и стало главной вехой в биологии живых систем. Позднее, в 1941 году, немецким биохимиком Фрицем Липманом было установлено, что АТФ в клетках является основным переносчиком энергии.
Строение АТФ
Эта молекула имеет систематическое наименование, которое записывается так: 9-β-D-рибофуранозиладенин-5′-трифосфат, или 9-β-D-рибофуранозил-6-амино-пурин-5′-трифосфат. Какие соединения входят в состав АТФ? Химически она представляет собой трифосфорный эфир аденозина - производного аденина и рибозы . Это вещество образуется путём соединения аденина, являющегося пуриновым азотистым основанием, с 1′-углеродом рибозы при помощи β-N-гликозидной связи. К 5′-углероду рибозы затем последовательно присоединяются α-, β- и γ-молекулы фосфорной кислоты.
Таким образом, молекула АТФ содержит такие соединения, как аденин, рибозу и три остатка фосфорной кислоты. АТФ - это особое соединение, содержащее связи, при которых высвобождается большое количество энергии. Такие связи и вещества называются макроэргическими. Во время гидролиза этих связей молекулы АТФ происходит выделение количества энергии от 40 до 60 кДж/моль, при этом данный процесс сопровождается отщеплением одного или двух остатков фосфорной кислоты.
Вот как записываются эти химические реакции :
- 1). АТФ + вода→АДФ + фосфорная кислота + энергия;
- 2). АДФ + вода→АМФ + фосфорная кислота + энергия.
Энергия, высвобожденная в ходе указанных реакций, используется в дальнейших биохимических процессах, требующих определённых энергозатрат.
Роль АТФ в живом организме. Её функции
Какую функцию выполняет АТФ? Прежде всего, энергетическую. Как уже было выше сказано, основной ролью аденозинтрифосфата является энергообеспечение биохимических процессов в живом организме. Такая роль обусловлена тем, что благодаря наличию двух высокоэнергетических связей, АТФ выступает источником энергии для многих физиологических и биохимических процессов, требующих больших энергозатрат. Такими процессами являются все реакции синтеза сложных веществ в организме. Это, прежде всего, активный перенос молекул через клеточные мембраны, включая участие в создании межмембранного электрического потенциала, и осуществление сокращения мышц.
Кроме указанной, перечислим ещё несколько, не менее важных, функций АТФ , таких, как:
Как образуется АТФ в организме?
Синтез аденозинтрифосфорной кислоты идёт постоянно , т. к. энергия организму для нормальной жизнедеятельности нужна всегда. В каждый конкретный момент содержится совсем немного этого вещества - примерно 250 граммов, которые являются «неприкосновенным запасом» на «чёрный день». Во время болезни идёт интенсивный синтез этой кислоты, потому что требуется много энергии для работы иммунной и выделительной систем, а также системы терморегуляции организма, что необходимо для эффективной борьбы с начавшимся недугом.
В каких клетках АТФ больше всего? Это клетки мышечной и нервной тканей, поскольку в них наиболее интенсивно идут процессы энергообмена. И это очевидно, ведь мышцы участвуют в движении, требующем сокращения мышечных волокон, а нейроны передают электрические импульсы, без которых невозможна работа всех систем организма. Поэтому так важно для клетки поддерживать неизменный и высокий уровень аденозинтрифосфата.
Каким же образом в организме могут образовываться молекулы аденозинтрифосфата? Они образуются путём так называемого фосфорилирования АДФ (аденозиндифосфата) . Эта химическая реакция выглядит следующим образом:
АДФ + фосфорная кислота + энергия→АТФ + вода.
Фосфорилирование же АДФ происходит при участии таких катализаторов, как ферменты и свет, и осуществляется одним из трёх способов:
Как окислительное, так и субстратное фосфорилирование использует энергию веществ, окисляющихся в процессе такого синтеза.
Вывод
Аденозинтрифосфорная кислота - это наиболее часто обновляемое вещество в организме. Сколько в среднем живёт молекула аденозинтрифосфата? В теле человека, например, продолжительность её жизни составляет менее одной минуты, поэтому одна молекула такого вещества рождается и распадается до 3000 раз за сутки. Поразительно, но в течение дня человеческий организм синтезирует около 40 кг этого вещества! Настолько велики потребности в этом «внутреннем энергетике» для нас!
Весь цикл синтеза и дальнейшего использования АТФ в качестве энергетического топлива для процессов обмена веществ в организме живого существа представляет собой саму суть энергетического обмена в этом организме. Таким образом, аденозинтрифосфат является своего рода «батарейкой», обеспечивающей нормальную жизнедеятельность всех клеток живого организма.
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
Из курса биологии растений и животных вспомните, где в клетках хранится наследственная информация. Какие вещества отвечают за хранение и воспроизведение наследственной информации? Одинаковы ли эти вещества у растений и животных?
Нуклеиновые кислоты и нуклеотиды
Молекулы нуклеиновых кислот являются крупными органическими молекулами — биополимерами, мономерами которых являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов — азотистого основания, моносахарида (рибозы или дезоксирибозы) и остатка ортофосфатной кислоты (рис. 8.1).
В состав нуклеиновых кислот входят пять видов азотистых оснований (рис. 8.2). Различают, собственно, пять видов нуклеотидов: тимидиловый (основание — тимин), цитидиловый (основание — цитозин), уридиловый (основание — урацил), адениловый (основание — аденин), гуаниловый (основание — гуанин).
В клетках живых организмов отдельные нуклеотиды используются также в различных процессах обмена веществ как самостоятельные соединения.
При образовании молекул нуклеиновой кислоты между остатком ортофосфатной кислоты одного нуклеотида и моносахаридом другого
образуется прочная ковалентная связь. Поэтому нуклеиновые кислоты, образующиеся таким образом, имеют вид цепи, в которой нуклеотиды последовательно расположены друг за другом. Их число в одной молекуле биополимера может достигать нескольких миллионов.
ДНК и РНК
В клетках живых организмов присутствует два типа нуклеиновых кислот — РНК (рибонуклеиновая кислота) и ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Они различаются между собой по составу и особенностями строения.
Главной функцией ДНК и РНК является хранение и воспроизведение наследственной информации, чему способствует строение их молекул.
РНК хранит наследственную информацию менее надежно, чем ДНК, поэтому данный способ хранения использует только часть вирусов.
Строение молекул нуклеиновых кислот
В состав нуклеотидов ДНК входят моносахарид дезоксирибоза и четыре азотистых основания — аденин, тимин, цитозин и гуанин. А сами молекулы ДНК обычно состоят из двух нуклеотидных цепочек, которые соединены между собой водородными связями (рис. 8.3).
В нуклеотидах РНК вместо дезоксирибозы содержится моносахарид рибоза, а вместо тимина — урацил. Молекула РНК обычно состоит из одной нуклеотидной цепочки, различные фрагменты которой образуют между собой водородные связи. Между гуанином и цитозином образуются три такие связи, а между аденином и тимином или аденином и урацилом — две.
Молекула ДНК состоит из двух нуклеотидных цепочек, соединенных по принципу комплементарности (дополнения): напротив каждого нуклеотида одной цепи размещается тот нуклеотид второй цепи, который ему соответствует. Так, напротив аденилового нуклеотида размещается тимидиловый, а напротив цитидилового — гуаниловый (рис. 8.4). Поэтому в молекулах ДНК количество адениловых нуклеотидов всегда равно количеству тимидиловых нуклеотидов, а количество гуаниловых — количеству цитидиловых.
АТФ и ее роль в жизнедеятельности клеток
В жизнедеятельности клетки активное участие принимают не только РНК и ДНК, но и отдельные нуклеотиды. Особенно важными являются соединения нуклеотидов с остатками ортофосфатной кислоты. Таких остатков к нуклеотиду может присоединяться от одного до трех. Соответственно, и называют их по числу этих остатков: АТФ — аденозинтриортофосфат (аденозинтриортофосфорная кислота), ГТФ — гуанозинтриортофосфат, АДФ — аденозиндиортофосфат, АМФ — аденозинмоноортофосфат. все нуклеотиды, которые входят в состав нуклеиновых кислот, являются монофосфатами. Три- и дифосфаты также играют важную роль в биохимических процессах клеток.
Наиболее распространенным в клетках живых организмов является АТФ. Он играет роль универсального источника энергии для биохимических реакций, а также участвует в процессах роста, движения и размножения клеток. Большое количество молекул АТФ образуется в процессах клеточного дыхания и фотосинтеза.
Преобразование энергии и реакции синтеза в биологических системах
АТФ обеспечивает энергией большинство процессов, происходящих в клетках. в первую очередь, это процессы синтеза органических веществ, которые осуществляются с помощью ферментов.
Для того чтобы ферменты могли осуществить биохимическую реакцию, им в большинстве случаев требуется энергия.
Молекулы АТФ при взаимодействии с ферментами распадаются на две молекулы — ортофосфатную кислоту и АДФ. При этом выделяется энергия:
Эту энергию и используют ферменты для работы. А почему именно АТФ? Потому что связь остатков ортофосфатной кислоты в этой молекуле является не обычной, а макроэргической (высокоэнергетической) (рис. 8.5). Для образования этой связи требуется много энергии, но и во время ее разрушения энергия выделяется в больших количествах.
Когда молекулы углеводов, белков, липидов в клетках расщепляются, то происходит выделение энергии. Эту энергию клетка запасает. Для этого к нуклеотидам моноортофосфатам (например, АМФ) присоединяется один или два остатка ортофосфатной кислоты и образуются молекулы ди- или триортофосфатов (соответственно, АДФ или АТФ). Образующиеся связи являются макроэргическими. Таким образом,
АДФ содержит одну макроэргическую связь, а АТФ — две. во время синтеза новых органических соединений макроэргические связи разрушаются и обеспечивают соответствующие процессы энергией.
Все клеточные формы жизни на нашей планете содержат в своих клетках и РНК, и ДНК. А вот в вирусах присутствует только один тип нуклеиновой кислоты. в их вирионах под белковой оболочкой содержится или РНК, или ДНК. Только когда вирус попадает в клетку-хозяина, он обычно начинает синтезировать и ДНК, и РНК.
Нуклеиновые кислоты являются биополимерами, которые представлены в живых организмах в виде ДНК и РНК. Их мономерами являются нуклеотиды. ДНК обычно имеет форму двойной спирали, состоящей из двух цепей. РНК чаще всего имеет вид одинарной цепи. Основной функцией нуклеиновых кислот является хранение и воспроизводство генетической информации. Нуклеотиды также участвуют в биохимических процессах клетки, а АТФ играет роль универсального источника энергии для биохимических реакций.
Проверьте свои знания
1. Чем ДНК отличается от РНК? 2. Зачем живым организмам нужны нуклеиновые кислоты? 3. Какие функции выполняет в клетках АТФ? 4. Достройте вторую цепочку ДНК по принципу комплементарности, если первая цепочка такая: АГГТТАТАЦГЦЦТАГААТЦГГГАА. 5*. ДНК не способна быть катализатором биохимических реакций. А вот некоторые молекулы РНК (их называют рибозимами) могут быть катализаторами. С какими особенностями строения этих молекул это может быть связано? 6*. Почему макроэргические связи удобны для использования в биохимических процессах клетки?
Обобщающие задания к теме «Химический состав клетки и биологические молекулы»
В заданиях 1-9 выберите один правильный ответ.
1 Изображенная на рис. 1 структура выполняет функцию:
а) хранит и воспроизводит наследственную информацию
б) транспортирует вещества
В) создает запас питательных веществ
г) катализирует реакции
2) Из тех же мономеров, что и вещество на рис. 1, состоит:
а) коллаген б) крахмал в) РНК г) эстроген
3) вещество на рис. 1 может накапливаться:
а) на внешней мембране митохондрий
б) в клеточной стенке дрожжей
В) в клетках печени человека
г) в хлоропластах кукурузы
4 Изображенная на рис. 2 структура является компонентом:
а) клеточной стенки растений
б) белков
г) внутреннего слоя клеточной мембраны
5) Цифрой 3 на рис. 2 обозначили:
а) карбонильную группу в) карбоксильную группу
б) гидроксильную группу г) радикал
6) Аминогруппа на рис. 2 обозначена цифрой:
а) 1 б) 2 в) 3 г) 4
7) Структура на рис. 2 является мономером:
а) нуклеиновой кислоты в) липида
б) белка г) полисахарида
8) Моносахарид на рис. 3 обозначен цифрой:
а) 1 б) 2 в) 3 г) 4
9) Структура на рис. 3 является мономером:
а) нуклеиновой кислоты в) белка
б) липида г) полисахарида
10 Напишите названия групп органических веществ, к которым относятся молекулы, изображенные на рисунках:
11 Рассмотрите структурную формулу молекулы, изображенной на рисунке. Объясните, каким образом строение этой молекулы позволяет ей эффективно выполнять свои функции.
12 Достройте комплементарную цепь ДНК: АТТГАЦЦЦГАТТАГЦ.
13 Установите соответствие между группами органических веществ и веществами, которые к ним относятся.
Группы вещества
1 белки а) прогестерон
2 углеводы б) гемоглобин
3 липиды в) крахмал
г) инсулин
д) фруктоза
е) тестостерон
Проверьте свои знания по теме «Химический состав клетки и биологические молекулы».
Мини-справочник
Сведения об органических веществах
Структура органической молекулы на примере аланина
Типы связей в молекуле белка
Ковалентные связи
Образуются между атомами элементов в молекуле вещества за счет общих электронных пар. в молекулах белков имеются пептидные и дисульфидные связи. Обеспечивают прочное химическое взаимодействие.
Пептидная связь
Пептидные связи возникают между карбоксильной группой (-COOH) одной аминокислоты и аминогруппой (-NH 2) другой аминокислоты.
Дисульфидная связь
Дисульфидная связь может возникать между различными участками одной и той же полипептидной цепи, при этом она удерживает эту цепь в изогнутом состоянии. Если дисульфидная связь образуется между двумя полипептидами, то она объединяет их в одну молекулу.
Нековалентные связи
В молекулах белков имеются водородные, ионные связи и гидрофобные взаимодействия. Обеспечивают слабые химические взаимодействия.
Водородная связь
Образуется между положительно заряженными атомами H одной функциональной группы и отрицательно заряженным атомом O или N, имеющим неподеленную электронную пару, другой функциональной группы.
Ионная связь
Образуется между положительно и отрицательно заряженными функциональными группами (дополнительными карбоксильными и аминогруппами), которые находятся в радикалах лизина, аргинина, гистидина, аспарагиновой и глутаминовой кислот.
Гидрофобное
Взаимодействие
Образуется между радикалами гидрофобных аминокислот.
Это материал учебника
Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus – ядро) – кислоты, впервые обнаруженные при исследовании ядер лейкоцитов; были открыты в 1868 г. И.Ф. Мишером, швейцарским биохимиком. Биологическое значение нуклеиновых кислот - хранение и передача наследственной информации; они необходимы для поддержания жизни и для ее воспроизведения.
Нуклеиновые кислоты
Нуклеотид ДНК и нуклеотид РНК имеют черты сходства и различия.
Строение нуклеотида ДНК
Строение нуклеотида РНК
Молекула ДНК – двойная цепь, закрученная по спирали.
Молекула РНК представляет собой одиночную нить нуклеотидов, схожую по строению с отдельной нитью ДНК. Только вместо дезоксирибозы РНК включает другой углевод – рибозу (отсюда и название), а вместо тимина – урацил.
Две нити ДНК соединены друг с другом водородными связями. При этом наблюдается важная закономерность: напротив азотистого основания аденин А в одной цепи располагается азотистое основание тимин Т в другой цепи, а против гуанина Г всегда расположен цитозин Ц. Эти пары оснований называют комплементарными парами.
Таким образом, принцип комплементарности (от лат. complementum – дополнение) состоит в том, что каждому азотистому основанию, входящему в нуклеотид, соответствует другое азотистое основание. Возникают строго определенные пары оснований (А – Т, Г – Ц), эти пары специфичны. Между гуанином и цитозином – три водородные связи, а между аденином и тимином возникают две водородные связи в нуклеотиде ДНК, а в РНК две водородные связи возникают между аденином и урацилом.
Водородные связи между азотистыми основаниями нуклеотидов
Г ≡ Ц Г ≡ Ц
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 комплементарностью, и это свойство лежит в основе образования новых молекул ДНК на базе исходной молекулы (репликации, т. е. удвоения).
Таким образом, количественное содержание азотистых оснований в ДНК подчинено некоторым правилам:
1) Сумма аденина и гуанина равна сумме цитозина и тимина А + Г = Ц + Т.
2) Сумма аденина и цитозина равна сумме гуанина и тимина А + Ц = Г + Т.
3) Количество аденина равно количеству тимина, количество гуанина равно количеству цитозина А = Т; Г = Ц.
При изменении условий ДНК, подобно белкам, может подвергаться денатурации, которая называется плавлением.
ДНК обладает уникальными свойствами: способностью к самоудвоению (репликация, редупликация) и способностью к самовосстановлению (репарация). Репликация обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была записана в материнской молекуле. Но в процессе репликации иногда возникают ошибки. Способность молекулы ДНК исправлять ошибки, возникающие в ее цепях, то есть восстанавливать правильную последовательность нуклеотидов, называется репарацией .
Молекулы ДНК находятся в основном в ядрах клеток и в небольшом количестве в митохондриях и пластидах – хлоропластах. Молекулы ДНК – носители наследственной информации.
Строение, функции и локализация в клетке. Различают три вида РНК. Названия связаны с выполняемыми функциями:
Сравнительная характеристика нуклеиновых кислот
Аденозинфосфорные кислоты - аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), аденозиндифосфорная кислота (АДФ), аденозинмонофосфорная кислота (АМФ).
В цитоплазме каждой клетки, а также в митохондриях, хлоропластах и ядрах содержится аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Она поставляет энергию для большинства реакций, происходящих в клетке. С помощью АТФ клетка синтезирует новые молекулы белков, углеводов, жиров, осуществляет активный транспорт веществ, биение жгутиков и ресничек.
АТФпо строению сходна с адениновым нуклеотидом, входящим в состав РНК, только вместо одной фосфорной кислоты в состав АТФ входят три остатка фосфорной кислоты.
Строение молекулы АТФ:
Неустойчивые химические связи, которыми соединены молекулы фосфорной кислоты в АТФ, очень богаты энергией. При разрыве этих связей выделяется энергия, которая используется каждой клеткой для обеспечения процессов жизнедеятельности:
АТФ АДФ + Ф + Е
АДФ АМФ + Ф + Е,
где Ф – фосфорная кислота Н3РО4, Е – освобождающаяся энергия.
Химические связи в АТФ между остатками фосфорной кислоты, богатые энергией, называются макроэргическими связями . Отщепление одной молекулы фосфорной кислоты сопровождается выделением энергии – 40 кДж.
АТФ образуется из АДФ и неорганического фосфата за счет энергии, освобождающейся при окислении органических веществ и в процессе фотосинтеза. Этот процесс называется фосфорилированием.
При этом должно быть затрачено не менее 40 кДж/моль энергии, которая аккумулируется в макроэргических связях. Следовательно, основное значение процессов дыхания и фотосинтеза определяется тем, что они поставляют энергию для синтеза АТФ, с участием которой в клетке выполняется большая часть работы.
АТФ чрезвычайно быстро обновляется. У человека, например, каждая молекула АТФ расщепляется и вновь восстанавливается 2 400 раз в сутки, так что ее средняя продолжительность жизни менее 1 мин. Синтез АТФ осуществляется главным образом в митохондриях и хлоропластах (частично в цитоплазме). Образовавшаяся здесь АТФ направляется в те участки клетки, где возникает потребность в энергии.
АТФ играет важную роль в биоэнергетике клетки: выполняет одну из важнейших функций – накопителя энергии, это универсальный биологический аккумулятор энергии.
Loading...