Какое свойство нуклеиновых кислот обеспечивает передачу
Строение нуклеиновых кислот
Нуклеиновые кислоты – фосфосодержащие биополимеры живых организмов, обеспечивающие сохранение и передачу наследственной информации.
Макромолекулы нуклеиновых кислот открыл в 1869 г. Швейцарский химик Ф. Мишер в ядрах лейкоцитов, обнаруженных в навозе. Позже нуклеиновые кислоты выявили во всех клетках растений и животных, грибов, в бактериях и вирусах.
Замечание 1
Существует два вида нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК).
Как видно из названий, молекула ДНК содержит пентозный сахар дезоксирибозу, а молекула РНК – рибозу.
Сейчас известно большое количество разновидностей ДНК и РНК, которые отличаются друг от друга строением и значением в метаболизме.
Пример 1
В бактериальной клетке кишечной палочки содержится около 1000 разновидностей нуклеиновых кислот, а у животных и растений – ещё больше.
Каждому виду организмов характерен свой собственный набор этих кислот.
ДНК локализируется преимущественно в хромосомах клеточного ядра (% всей ДНК клетки), а также в хлоропластах и митохондриях. РНК содержится в цитоплазме, ядрышках, рибосомах, митохондриях, пластидах.
Состоит молекула ДНК из двух полинуклеотидных цепей, спирально закрученных относительно друг друга. Цепы расположены антипараллельно, то есть 3́-конец и 5́-конец.
Структурными компонентами (мономерами) каждой такой цепи являются нуклеотиды. В молекулах нуклеиновых кислот количество нуклеотидов различно – от 80 в молекулах транспортных РНК до нескольких десятков тысяч в ДНК.
Любой нуклеотид ДНК содержит одно из четырёх азотистых оснований (аденин, тимин, цитозин и гуанин), дезоксирибозу и остаток фосфорной кислоты.
Замечание 2
Нуклеотиды отличаются лишь азотистыми основаниями, между которыми существуют родственные связи. Тимин, цитозин и урацил относятся к пиримидиновым, а аденин и гуанин – к пуриновым основаниям.
Соседние нуклеотиды в полинуклеотидной цепи связаны ковалентными связями, образующимися между дезоксирибозой молекулы ДНК (или рибозой РНК) одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого.
Замечание 3
Хотя в молекуле ДНК только четыре типа нуклеотидов, но благодаря изменению последовательности их расположения в длинной цепи молекулы ДНК достигают огромного разнообразия.
Две полинуклеотидные цепи объединяются в единую молекулу ДНК с помощью водородных связей, которые образуются между азотистыми основаниями нуклеотидов разных цепей.
При этом аденин (А) способен соединяться только с тимином (Т), а гуанин (Г) – только с цитозином (Ц). В результате у различных организмов количество адениловых нуклеотидов равно количеству тимидиловых, а количество гуаниловых – количеству цитидиловых. Такая закономерность называется «правило Чаргаффа». Таким образом определяется последовательность нуклеотидов в одной цепи согласно их последовательность в другой.
Такая способность нуклеотидов к выборочному соединению называется комплементарностью, и это свойство обеспечивает образование новых молекул ДНК на основании исходной молекулы (репликация).
Замечание 4
Двойная спираль стабилизируется многочисленными водородными связями (две образуются между А и Т, три – между Г и Ц) и гидрофобными взаимодействиями.
Диаметр ДНК составляет 2 нм, шаг спирали – 3,4 нм, а в каждом витке содержится 10 пар нуклеотидов.
Длина молекулы нуклеиновых кислот достигает сотни тысяч нанометров. Это значительно превышает наибольшую макромолекулу белка, длина которой в развёрнутом виде не больше 100 – 200 нм.
Самоудвоение молекулы ДНК
Каждому клеточному делению при условии абсолютно чёткого соблюдения нуклеотидной последовательности предшествует репликация молекулы ДНК.
Начинается она с того, что временно раскручивается двойная спираль ДНК. Это происходит под действием ферментов ДНК-топоизомеразы и ДНК-геликазы. ДНК-полимераза и ДНК-праймаза катализируют полимеризацию нуклеозидтрифосфатов и образование новой цепи.
Точность репликации обеспечивается комплементарным (А – Т, Г – Ц) взаимодействием азотистых оснований матричной цепи, которая строится.
Замечание 5
Каждая полинуклеотидная цепь является матрицей для новой комплементарной цепи. В результате образуются две молекулы ДНК, одна половина каждой из которых происходит от материнской молекулы, а другая является заново синтезированной.
Причём синтезируются новые цепи сначала в виде коротких фрагментов, а потом специальным ферментом эти фрагменты «сшиваются» в длинные цепи.
Две образовавшиеся новые молекулы ДНК являются точной копией исходной молекулы благодаря репликации.
Этот процесс является основой для передачи наследственной информации, которая осуществляющейся на клеточном и организменном уровнях.
Замечание 6
Важнейшая особенность репликации ДНК – её высокая точность, которую обеспечивает специальный комплекс белков – «репликационная машина».
Функции «репликационной машины»:
- продуцирует углеводы, образующие комплементарную пару с нуклеотидами материнской матричной цепи;
- выступает катализатором при образовании ковалентной связи между концом растущей цепи и каждым новым нуклеотидом;
- корректирует цепь, удаляя нуклеотиды, которые неправильно включились.
Число ошибок «репликационной машины» составляет очень малую величину, менее одной ошибки на 1 млрд. нуклеотидов.
Однако бывают случаи, когда «репликационная машина» может пропустить или вставить несколько лишних оснований, включить Ц вместо Т или А вместо Г. Каждая такая замена последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК является генетической ошибкой и называется мутацией. Во всех последующих поколениях клеток такие ошибки будут снова воспроизводиться, что может привести к заметным негативным последствиям.
Типы РНК и их функции
РНК представляет из себя одну полинуклеотидную цепь (у некоторых вирусов две цепи).
Мономерами являются рибонуклеотиды.
Азотистые основания в нуклеотидах:
- аденин (А);*
- гуанин (Г);
- цитозин (Ц);
- урацил (У).*
Моносахарид – рибоза.
В клетке локализируется в ядре (ядрышке), митохондриях, хлоропластах, рибосомах, цитоплазме.
Синтезируется путём матричного синтеза по принципу комплементарности на одной из цепей ДНК, не способна к репликации (самоудвоению), лабильна.
Существуют различные типы РНК, которые отличаются по величине молекул, структуре, расположением в клетке и функциям.
Низкомолекулярные транспортные РНК (тРНК) составляют около 10% общего количества клеточной РНК.
В процессе передачи генетической информации каждая тРНК может присоединить и перенести лишь определённую аминокислоту (например, лизин) к рибосомам – месту синтеза белка. Но для каждой аминокислоты есть более одной тРНК. Потому существует намного больше 20 различных тРНК, которые отличаются по своей первичной структуре (имеют различную последовательность нуклеотидов).
Рибосомальные РНК (рРНК) составляют до 85% всех РНК клетки. Входя в состав рибосом они выполняют тем самым структурную функцию. Также рРНК берут участие в формировании активного центра рибосомы, где в процессе биосинтеза белка образуются пептидные связи между молекулами аминокислот.
С участием информационных, или матричных, РНК (иРНК) программируется синтез белков в клетке. Хотя их содержание в клетке относительно низкое – около 5% – от общей массы всех РНК клетки, по своему значению иРНК стоят на первом месте, поскольку они непосредственно осуществляют передачу кода ДНК для синтеза белков. При этом каждый белок клетки кодирует специфическая иРНК. Объясняется это тем, что РНК во время своего синтеза получают информацию от ДНК о структуре белка в виде скопированной последовательности нуклеотидов и для обработки и реализации переносят её к рибосоме.
Замечание 7
Значение всех типов РНК состоит в том, что они являются функционально объединённой системой, направленной на осуществление в клетке синтеза специфических для неё белков.
Химическое строение и роль АТФ в энергетическом обмене
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) содержится в каждой клетке – в гиалоплазме (растворимой фракции цитоплазмы), митохондриях, хлоропластах и ядре.
Она обеспечивает энергией большинство реакций, происходящих в клетке. С помощью АТФ клетка способна двигаться, синтезировать новые молекулы белков, жиров и углеводов, избавляться от продуктов распада, осуществлять активный транспорт и т.п.
Молекула АТФ образована азотистым основанием, пятиуглеродным сахаром рибозой и тремя остатками фосфорной кислоты. Фосфатные группы в молекуле АТФ между собой соединены высокоэнергетическими (макроэргическими) связями.
В результате гидролитического отщепления конечной фосфатной группы образуется аденозиндифосфорная кислота (АДФ) и освобождается энергия.
После отщепления второй фосфатной группы образуется аденозинмонофосфорная кислота (АМФ) и высвобождается ещё одна порция энергии.
АТФ образуется из АДФ и неорганического фосфата за счёт энергии, которая освобождается во время окисления органических веществ и в процессе фотосинтеза. Называется этот процесс называется фосфориллированием. При этом должно быть использовано не менее 40 кДж/моль АТФ, аккумулированной в её макроэргических связях.
Значит, основное значение процессов дыхания и фотосинтеза состоит в том, что они поставляют энергию для синтеза АТФ, при участии которой в клетке происходит значительное количество различных процессов.
АТФ чрезвычайно быстро восстанавливается.
Пример
У человека каждая молекула АТФ расщепляется и снова возобновляется 2400 раз на сутки, потому средняя длительность её жизни менее 1 мин.
Синтез АТФ осуществляется главным образом в митохондриях и хлоропластах. АТФ, которая образовалась, по каналах эндоплазматического ретикуллюма поступает в те участки клетки, где необходима энергия.
Любые виды клеточной активности происходят за счёт энергии, которая освобождается во время гидролиза АТФ. Оставшаяся энергия (около 50%), которая освобождается во время расщепления молекул белков, жиров, углеводов и других органических соединений, рассеивается в виде тепла рассеивается и практически существенного значения для жизнедеятельности клетки не имеет.
Источник
Для стабильной работы клетки нужно, чтобы в ней постоянно продуцировалось большое количество разнообразных белков. Информация о белках хранится в клетке, даже о тех из них, которые данный организм не унаследовал. «Банком сведений» являются нуклеиновые кислоты, их можно сравнить с дисками наших компьютеров, на которые мы складываем всё, что нужно запомнить. Все живые организмы способны сберегать наследственную информацию и передавать её потомкам при помощи нуклеиновых кислот.
Впервые нуклеиновые кислоты были открыты швейцарским биохимиком Ф. Мишером в 1868 г. Он выделил их из сперматозоидов лосося и ядер лейкоцитов человека. От слова «ядро» (лат. nucleus) и произошло название «нуклеиновые кислоты». Позже они были обнаружены вне ядер и в клетках всех живых организмов, в том числе безъядерных, но название так и сохранилось.
Фридрих Мишер
Существует две разновидности нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), которые обеспечивают сохранение информации и РНК (рибонуклеиновая кислота), принимающие участие в процессе генной эксперессии и биосинтеза белка.
Нуклеиновые кислоты обладают уникальным свойством, они способны служить шаблоном для получения точной копии самих себя. Именно это позволяет передавать генетическую информацию в процессе деления клеток во время размножения организмов.
Репликация ДНК
Нуклеиновые кислоты – полимерные молекулы
Нуклеиновые кислоты — самые крупные нерегулярные полимерные органические молекулы, носящие название полинуклеотидов. Обычно ДНК намного крупнее РНК. Их мономерами являются нуклеотиды (нуклеозиды, дезоксинуклеозиды и др.). Каждый из них состоит из трёх компонентов:
- пентозы, или пятиуглеродного сахара (рибоза в РНК и дезоксирибоза в ДНК);
- фосфатной группы – остатка фосфорной кислоты (—PO 4 -);
- азотистого основания.
Строение нуклеотида
Азотистые основания — это ароматические гетероциклические соединения, производные пиримидина или пурина. Нуклеотиды имеют пять основных типов азотистых оснований. Двухкольцевые пуриновые: аденин (Аde) и гуанин (Gua). Каждое из них содержится как в ДНК, так и в РНК. Остальные три основания представляют собой однокольцовые молекулы, производные пиримидина: цитозин (Cyt — есть как в ДНК, так и в РНК), тимин (Thy — только в ДНК), урацил (Ura — только в РНК).
Аденин и рибоза образуют нуклеозид аденозин (A), производные других азотистых оснований носят названия: гуанозин (G, Г), уридин (U, У), тимидин (Т), цитидин (C, Ц). При соединении азотистых оснований с дезоксирибозой образуются дезоксинуклеозиды. Все нуклеозидфосфаты объединяют под общим названием — нуклеотиды.
Строение пурина и пуриновых азотистых оснований
Строение пиримидина и пиримидиновых азотистых оснований
Нуклеиновые кислоты образуются путём реакции обезвоживания (конденсации, или дегидрации) между фосфатной группой одного нуклеотида и гидроксильной группой пентозы другого нуклеотида. Так получается фосфодиэфирная связь, объединяющая два углевода через фосфат.
В молекуле нуклеотида азотистое основание присоединено к первому атому углерода пентозы, а остаток фосфорной кислоты — к пятому. Получающаяся полинуклеотидная цепь полярна, она имеет два конца:
- 5′ (пять-штрих положение) — углеродный атом в пятичленном моносахариде — рибозе или дезоксирибозе;
- 3´ (три-штрих положение) — гидроксильная группа, взятая от углевода (ОН).
Эти концы в двойной спирали ДНК соединяются через фосфатную группу по типу голова-хвост (3′ к 5′) по принципу комплементарности, азотистыми основаниями внутрь спирали. Такая ориентация цепей называется антипараллельной.
ДНК – хранитель генетической информации
Организмы используют расстановку нуклеотидов ДНК для кодирования информации, указывающей аминокислотную последовательность первичной структуры их белков. Этот способ похож на то, как мы кодируем слова в предложении при помощи букв.
Предложение, написанное на русском языке, состоит из комбинации 33 букв алфавита в определённом порядке; код молекулы ДНК состоит из комбинации четырёх типов нуклеотидов в специфической последовательности: А, T, Г, Ц.
ДНК в организмах содержится в виде двух цепей, обёрнутых в виде спирали вокруг друг друга и вместе вокруг общей оси, либо в линейной форме, либо кольцевой у большинства прокариот, а также в хлоропластах и митохондриях эукариот. Исключение – одноцепочечная молекула ДНК некоторых фагов — вирусов, поражающих бактериальные клетки. Две нити ДНК соединены связями-перемычками, как винтовая лестница ступенями. Такая структура молекулы называется двойной спиралью. Каждый шаг винтовой лестницы ДНК состоит из пары оснований. Основание одной цепи притягивается водородной связью к основанию другой цепи.
Строение ДНК
Правила спаривания возникают из наиболее стабильной конфигурации водородного скрепления между двумя основаниями: пары аденина с тимином двумя водородными связями (в ДНК) или с урацилом (в РНК) и пары цитозина с гуанином — тремя водородными связями.
Основания, которые участвуют в сопряжении, дополняют друг друга, это свойство носит название комплементарности. Если известна последовательность оснований одной цепи ДНК, то благодаря специфичности их соединения, становится известна структура её партнёра — второй цепи.
Схема строения ДНК
В клетках эукариот ДНК дополнительно комплектуется с белками для формирования структур, называемых хромосомами. Это структуры более высокого порядка, которые влияют на функцию ДНК, поскольку участвуют в контроле за экспрессией генов.
Определение размеров молекул ДНК стало возможным только после изобретения методов электронной микроскопии, ультрацентрифугирования, электрофореза.
Расшифровка структуры ДНК имеет свою предысторию. В 1950 г. американский ученый Э. Чаргафф и его коллеги, исследуя состав молекулы ДНК, установили следующие закономерности, впоследствии названные правилами Чаргаффа.
- Количество адениловых нуклеотидов в молекуле ДНК равно количеству тимидиловых (А = Т), а количество гуаниловых — количеству цитидиловых (Г = Ц).
- Количество пуриновых азотистых оснований равно количеству пиримидиновых (А + Г = Т + Ц).
- Суммарное количество адениловых и цитидиловых нуклеотидов равно суммарному количеству тимидиловых и гуаниловых нуклеотидов (А + Ц = Т + Г), что следует из первого правила.
Это открытие способствовало установлению пространственной структуры ДНК и определению ее роли в передаче наследственной информации от одного поколения другому. В 1953 г. на основании правил Чаргаффа и данных о пространственной структуре молекулы ДНК, полученных английским биофизиком М. Уилкинсом, американский ученый Дж. Уотсон и англичанин Ф. Крик предложили трехмерную модель структуры ДНК, которая получила название «двойной спирали». За разработку модели молекулы ДНК Дж. Уотсон, Ф. Крик и М. Уилкинс в 1962 г. были удостоены Нобелевской премии.
Параметры двойной спирали ДНК
Роли РНК в клетке
Рибонуклетновые кислоты подобны ДНК, но имеет несколько основных химических различий.
- Она содержит дисахарид рибозу, связанный с гидроксильной группой (в ДНК гидроксильную группу заменяет атом водорода);
- В молекуле РНК используется урацил вместо тимина. Урацил имеет сходную с тимином структуру, за исключением того, что один из его углеродов не имеет метильной группы (- CH3 ).
- РНК производится путём транскрипции с участка ДНК, не образует двойной спирали, но содержит короткие участки со спаренными основаниями. Это приводит к тому, что при двумерном изображении она напоминает шпильки и петли, форму кленового листа (у тРНК).
Все виды РНК синтезируются на определенных участках одной из цепей ДНК. Такой синтез получил название матричного, так как молекула ДНК является матрицей (т. е. образцом, моделью) для синтеза молекул РНК.
Роль РНК в клетке разнообразна:
- она несёт информацию в виде матричной, или информационной РНК (мРНК, или иРНК). Матричные РНК наиболее разнообразны по структуре и размерам. Одна молекула содержит информацию об одном белке. В ходе синтеза белка на рибосомах она служит матрицей, поэтому биосинтез белка относится к матричным процессам. Содержание иРНК составляет 3-5% всех РНК клетки;
- входит в состав рибосомы в форме рибосомальной РНК (рРНК). рРНК составляет 80% всех РНК клетки. В соединении с белками они образуют одномембранные органоиды рибосомы, и участвуют в синтезе белков из аминокислот;
- переносит аминокислоты в виде трансферной, или транспортной РНК (тРНК) составляет около 15 % всех клеточных РНК. Молекулы тРНК сравнительно небольшие (в среднем состоят из 80 нуклеотидов). Благодаря формированию внутримолекулярных водородных связей молекула тРНК приобретает характерную пространственную структуру, называемую клеверным листом.
В последнее время у РНК были обнаружены ферментативные функции, а отдельная её форма включает регуляцию экспрессии генов.
Другие нуклеотиды
В дополнение к служению мономерами в ДНК и РНК нуклеотиды играют важные роли в жизни клетки. Они являются основой для синтеза целого ряда органических веществ. Два нуклеотида могут быть связаны через фосфатные группировки в динуклеотид. К этой группе соединений относятся коферменты:
- НАДФ+ (NADP+);
- КоА (CoA);
- флавин ФАД (FAD).
Также есть жизненно-важные нуклеотиды, являющиеся компонентами энергетических реакций. Например, аденин является ключевым компонентом молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), энергетической валюты клетки. Клетки используют АТФ в качестве источника энергии во всех процессах: чтобы перенести вещества через мембрану, соединить или расщепить молекулы, передвигать мышцами, жгутиками и ресничками и т. д. АТФ – это универсальный (для всех живых организмов) источник и переносчик энергии клетки.
Структура аденозинтрифосфорной кислоты
Автор: Solon
Молекула АТФ состоит из азотистого основания аденина, пятиуглеродного сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Остатки фосфорных кислот соединены между собой высокоэнергетическими связями (макроэргическими). Отрыв остатка фосфорной кислоты происходит в процессе гидролиза, при этом выделяется большое количество энергии – 40 кДж/моль. Процесс отсоединения фосфатной группы называется реакцией дефосфорелирования.
После гидролитического отщепления от АТФ одной фосфатной группы образуется аденизиндифосфатная кислота (АДФ):
АТФ + Н2О → АДФ + Н3РО4 + 40 кДж
АДФ может подвергаться дальнейшему гидролизу с отщеплением еще одной фосфатной группы и выделением второй «порции» энергии. При этом АДФ преобразуется в аденозинмонофосфорную кислоту (АМФ):
АДФ + Н2О → АМФ + Н3РО4 + 40 кДж
Обратный процесс — синтез АТФ — происходит в результате присоединения к молекуле АДФ остатка фосфорной кислоты (реакция фосфорилирования). Этот процесс осуществляется за счет энергии, высвобождающейся при окислении органических веществ (глюкозы, высших карбоновых кислот и др.). Для образования 1 моль АТФ из АДФ должно быть затрачено не менее 40 кДж энергии:
АДФ + Н3РО4 + 40 кДж → АТФ + Н2О.
АТФ чрезвычайно быстро обновляется. У человека, например, каждая молекула АТФ расщепляется и вновь синтезируется около 2400 раз в сутки, поэтому средняя продолжительность ее «жизни» — менее 1 мин. Синтез АТФ осуществляется главным образом в митохондриях и хлоропластах, частично в гиалоплазме.
Нуклеиновые кислоты: решение задач
Задача 1.
В молекуле ДНК содержится 17% аденина. Определите, сколько (в %) в этой молекуле содержится других оснований.
Решение:
По первому правилу Чаргаффа А=Т, Г=Ц. В задаче дано А=17%, значит и тимина 17%. Всего тимина и аденина 17+17=34%. Оставшиеся 66% делятся на гуанин и цитидин поровну. Г=33% и Ц=33%.
Ответ: в этой молекуле ДНК содержится:
Тимидина — 17%;
Гуанина — 33%;
Цитидина — 33%.
Задача 2.
Участок гена имеет следующее строение, состоящее из последовательности нуклеотидов: ЦГГ ЦГЦ ТЦА ААА ТЦГ …
Укажите строение соответствующего участка белка, информация о котором содержится в данном гене. Как отразится на строении белка удаление из гена четвёртого нуклеотида?
Генетический код
Решение:
Используя принцип комплементарности (в ДНК: А=Т, Г=Ц) соединения оснований водородными связями и таблицу генетического кода:
| Цепь ДНК | ЦГГ | ЦГЦ | ТЦА | ААА | ТЦГ |
| иРНК | ГЦЦ | ГЦГ | УГУ | УУУ | АГЦ |
| Цепь белка из аминркислот | Ала | Ала | Сер | Фен | Сер |
При удалении из гена четвёртого нуклеотида – Ц, произойдут заметные изменения – уменьшится количество и состав аминокислот в белке.
| ДНК | ЦГГ | ГЦТ | ЦАА | ААТ | ЦГ |
| иРНК | ГЦЦ | ЦГА | ГУУ | УУА | ГЦ |
| белок | Ала | Арг | Вал | Лей | — |
Задача 3.
Какую длину имеет участок ДНК, кодирующий синтез инсулина, который содержит 51 аминокислоту в двух цепях, если один нуклеотид занимает 3,4 А° (ангстрема) цепи ДНК? 1 А°=0,1 нм (нанометра)=0,0001 мкм (микрометра)=0,000 0001 мм=0,000 000 000 01 м.
Решение
1) 51Х3=153 (нуклеотида) – так как каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами.
2) 153 Х3,4 = 520,2 (А°)
Ответ: участок ДНК равен 520,2 А°
Подготовка к ЕГЭ, решение задач
Источник