Конспект урока: Органические вещества – нуклеиновые кислоты и витамины

Нуклеиновые кислоты

Немного истории. Открыл дезоксирибонуклеиновую кислоту в 1869 году молодой швейцарский врач Фридрих Мишер, работавший тогда в Германии. Он решил изучить химический состав клеток животных, а в качестве материала выбрал лейкоциты, а в дальнейшем молоки осетровых рыб. Френсис Крик и Джеймс Уотсон, в 1953 году открыли структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) — вещества, которое содержит всю наследственную информацию.

Краткая характеристика: 

Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus — ядро).

Элементный состав: C, H, O, N, P.

Фосфорсодержащие органические соединения, гетерополимеры.

Рис. 1. Строение нуклеотида

Макромолекула с молекулярной массой равной примерно от десяти тысяч до нескольких миллионов.

Мономер — нуклеотид (рис. 1).

Находятся в ядре, цитоплазме, митохондриях, пластидах.

Функции: обеспечивают хранение и передачу наследственной информации.

ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота

В 1953 году Уотсон и Крик расшифровали структуру ДНК.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — нерегулярный полимер.

ДНК — двойная спираль из пар комплементарных антипараллельных полинуклеотидных цепей.

Мономер — дезоксирибонуклеотид (рис. 2): 

• азотистые основания: А, Т, Ц, Г;
• углевод дезоксирибоза;
• фосфат.

Рис. 2. Нуклеотид ДНК

Уровни организации молекулы ДНК

Первичная структура	Полинуклеотидная цепь (≈ 109 нуклеотидов), удерживается фосфоэфирной связью (между углеводом и фосфатом). Последовательность нуклеотидов в цепи определяет наследственную информацию клетки организма в целом.
Вторичная структура	Двойная спираль. Две полинуклеотидные параллельные цепи закружены вокруг общей оси в двойную правостороннюю спираль. Цепи антипараллельны*. Цепи удерживаются водородными связями между азотистыми основаниями параллельных цепей.  Азотистые основания расположены друг напротив друга по принципу комплементарности**.
Третичная структура	Нуклеопротеиды — соединение ДНК с белками-гистонами — ХРОМАТИН. Степень спирализации ДНК повышается: возникает суперспираль ДНК, толщина которой возрастает, а длина сокращается.
Четвертичная структура	Спирализация хроматина в период деления клетки приводит к образованию палочкообразных структур ХРОМОСОМ.

Правило Чаргаффа

В молекуле ДНК количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина — количеству цитозина: 

А = Т, Г = Ц. 

Количество пуринов равно количеству пиримидинов: 

А + Г = Т + Ц

Свойства ДНК

1. При изменении условий третичная структура ДНК может подвергаться денатурации, называемой плавлением. При возврате к нормальным условиям ДНК ренатурирует.
2. Репликация (редупликация) — самоудвоение ДНК.

Спираль ДНК раскручивается из-за разрыва водородных связей (ферментом хеликаза). На каждой из цепей синтезируется новая цепь ДНК из свободных нуклеотидов ядра. Образуются водородные связи (фермент ДНК-полимераза).

Принципы редупликации:

• комплементарность,
• полуконсервативность (одна из цепей материнская, вторая — новая),
• антипараллельность (строится в противоположных направлениях),
• прерывность (цепь строится из фрагментов-репликонов и сшивается, так энергетически выгоднее).

Функции ДНК 

1. Химическая основа гена.
2. Хранение и передача наследственной информации о первичной структуре белков.
3. Матрица для синтеза всех видов РНК.

РНК — рибонуклеиновая кислота

Рибонуклеиновая кислота (РНК) — биополимер.

Мономер — рибонуклеотид (рис. 3): 

• азотистые основания: А, У, Ц, Г;
• углевод рибоза;
• фосфат.

Рис. 3. Нуклеотид РНК

Место: ядро, цитоплазма, митохондрии, пластиды.

Виды РНК

и-РНК (м-РНК)	р-РНК	т-РНК
≈ 75–3000 нуклеотидов	≈ 150–4500 нуклеотидов	≈ 70–100 нуклеотидов
Одиночная цепь	Одиночная цепь	Цепь закручена в форме клеверного листа. Имеет два полюса:   - место прикрепления АК, - антикодон (кодовый триплет т-РНК).
Перенос из ядра к рибосомам генетической информации о последовательности аминокислот в белке.	Составляет в комплексе с белками рибосому.	Доставляет аминокислоты к месту синтеза белка и осуществляет точную ориентацию аминокислоты на рибосоме по комплементарности антикодона.

АТФ (АденозинТриФосфат) — универсальный носитель энергии клетки

Важнейшим соединением, обеспечивающим энергетические нужды всех клеток, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). 

АТФ представляет собой нуклеотид, состоящий из азотистого основания (аденина), сахара (рибозы) и трёх остатков фосфорной кислоты, следующих один за другим. Связи между остатками фосфорной кислоты богаты энергией и называются макроэргическими (рис. 4).

Рис. 4. Строение АТФ

Разрыв такой связи приводит к выделению примерно 40 кДж/моль энергии. Так как практически все биохимические процессы требуют весьма существенных затрат энергии, АТФ доставляет её туда, где она необходима (рис. 5). 

Рис. 5. Разрыв макроэргической связи

Синтезируется АТФ путём присоединения неорганического фосфата (Ф) к молекуле АДФ (аденозинтрифосфорная кислота). Естественно, что на синтез АТФ приходится затратить ровно столько же энергии. Связь между рибозой и первым остатком фосфорной кислоты макроэргической не является, и при её расщеплении выделяется совсем немного энергии. АТФ в клетке мало, поскольку она практически не накапливается, а быстро расходуется на нужды организма, и только в клетках, очень активно тратящих энергию (клетки мышц, печени), содержание АТФ может достигать 5 % от сухого веса.

Витамины

Витамины необходимы для нормальной жизнедеятельности клеток и целого организма. Витамины мы можем получать с растительной и животной пищей. Небольшие количества некоторых витаминов вырабатывают микроорганизмы, живущие в кишечнике, витамин D вырабатывается в клетках эпидермиса под действием ультрафиолетового излучения. Чаще всего витамины входят в состав ферментов, являясь их небелковой частью, без них фермент не может проявить свою активность. Естественно, что лишение организма какого-либо фермента приводит к развитию болезни. Если эта болезнь вызвана недостатком витамина, её называют  авитаминозом. Витамины подразделяют на жиро- и водорастворимые.

Подумайте
 

1. Что обозначено цифрами 1–3? В состав какого биополимера входит данный мономер?

2. Назовите молекулу, изображённую на схеме. Какую функцию выполняет это вещество? Что обозначено буквами А, Б, В?

3. Схема строения какого вещества изображена на рисунке? Что на рисунке обозначено цифрами 1–3? Какова роль этого вещества?

 

4. Составьте комплементарные пары: А — ?, ? — Ц, ? — Т, Г — ?
 

5. Используя принцип комплементарности, достройте вторую цепь ДНК: А — Г — Ц — Г — У — Ц — Т — А.
 

6. В ДНК растительной клетки 24 % нуклеотидов с аденином. Определите содержание (в %) нуклеотидов с тимином, цитозином и гуанином в молекуле ДНК. Ответ поясните.
 

7. Участок одной из двух цепей молекулы ДНК содержит 420 нуклеотидов с тимином (Т), 210 нуклеотидов с аденином (А), 120 нуклеотидов с цитозином (Ц) и 300 нуклеотидов с гуанином (Г). Какое количество нуклеотидов с А, Т, Ц и Г содержится в двух цепях молекулы ДНК? Сколько аминокислот должен содержать белок, кодируемый этим участком молекулы ДНК? Ответ поясните.