Конспект урока: Химический состав организма (нуклеиновые кислоты и АТФ)

Нуклеиновые кислоты. Строение и функции

Рис. 1. Модель строения молекулы ДНК

К нуклеиновым кислотам относят высокополимерные соединения. Они содержат углерод, водород, фосфор, кислород и азот. Различают два класса нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).

 

ДНК — полимер, мономерами которого 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).

Рис. 2. Структура молекулы ДНК

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 трёх веществ:

1. азотистого основания,
2. пятиуглеродного моносахарида (пентозы),
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.

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 относится к категории реакций матричного синтеза, идёт 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.

Рис. 3. Модель молекулы РНК

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 трёх веществ: 

1. Азотистого основания,
2. Пятиуглеродного моносахарида (пентозы),
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 неразветвлённые 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. На долю тРНК приходится около 10 % от общего содержания РНК в клетке. 

Функция тРНК — транспорт аминокислот к месту синтеза белка, к рибосомам. 

В клетке встречается около 40 видов тРНК, каждый из них имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов. 

Рибосомные РНК содержат 3 000–5 000 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

Количество АТФ в среднем составляет 0,04 % (от сырой массы клетки), наибольшее количество АТФ (0,2–0,5 %) содержится в скелетных мышцах.

Рис. 4. Структура АТФ

АТФ состоит из остатков:

1. Азотистого основания (аденина);
2. Моносахарида (рибозы);
3. Трёх фосфорных кислот.

 

Поскольку АТФ содержит не один, а три остатка фосфорной кислоты, она относится к рибонуклеозидтрифосфатам.

Рис. 5. Структура превращение АТФ в АДФ

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.