- Нуклеиновые кислоты. Строение и функции
- Строение и функции АТФ
- уметь характеризовать нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) как носителей наследственной информации, сравнивать строение молекул ДНК и РНК, находить различия
- знать существенные признаки процесса репликации, роль разных видов РНК, роль АТФ в клетке
- Какие органические вещества находятся в клетке?
- Какова функция нуклеиновых кислот и АТФ?
Нуклеиновые кислоты. Строение и функции
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).
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:
- азотистого основания,
- пятиуглеродного моносахарида (пентозы),
- 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.
Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Молекула ДНК хранит биологическую информацию в виде генетического кода, состоящего из последовательности нуклеотидов.
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 ДНК — процесс самоудвоения, главное свойство молекулы ДНК.
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.
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 трёх веществ:
- Азотистого основания,
- Пятиуглеродного моносахарида (пентозы),
- 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:
- Информационная (матричная) РНК — иРНК (мРНК) ;
- Транспортная РНК — тРНК ;
- 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:
- Необходимый структурный компонент рибосом и, таким образом, обеспечение функционирования рибосом;
- Обеспечение взаимодействия рибосомы и тРНК;
- Первоначальное связывание рибосомы и кодона-инициатора иРНК и определение рамки считывания;
- 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:
- Перенос генетической информации от ДНК к рибосомам;
- Матрица для синтеза молекулы белка;
- Определение аминокислотной последовательности первичной структуры белковой молекулы.
Пример
В молекуле ДНК количество нуклеотидов с цитозином составляет 15 % от общего числа. Какой процент нуклеотидов с аденином в этой молекуле? В ответ запишите только соответствующее число.
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:
- Азотистого основания (аденина);
- Моносахарида (рибозы);
- Трёх 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.
Упражнение
В молекуле ДНК 100 нуклеотидов с тимином, что составляет 10 % от общего количества. Сколько нуклеотидов с гуанином? В ответ запишите только соответствующее количеству нуклеотидов число.
Контрольные вопросы
- Какие вещества относятся к нуклеиновым кислотам?
- Какое строение молекулы ДНК?
- В чём заключается суть принципа комплементарности?
- Какие виды РНК существуют?
- Что такое репликация ДНК?
- Какова основная функция АТФ?
Нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) — носители наследственной информации в живых системах. АТФ — нуклеотид, который служит универсальным накопителем и источником энергии во всех клетках живых организмов на Земле.
Пример
Решение:
Количества разных видов нуклеотидов (аденина, тимина, гуанина и цитозина) в составе молекулы ДНК подчиняется правилу Чаргаффа: количество аденина равно количеству тимина, а гуанина — цитозину: А = Т, Г = Ц.
Количество всех нуклеотидов ДНК составляет 100 % (А + Т + Г + Ц = 100 %). Согласно правилу Чаргаффа, количество цитозина равно количеству гуанина (Ц = Г = 15 %), а сумма количества цитозина и гуанина равна 30 % (Ц + Г = 30 %). На аденин и тимин остаётся 70 % (А + Т = 100 − (Ц + Г) = 100 − 30 = 70 %). А так как аденин и тимин содержатся в молекуле ДНК в равных количествах, то количество и аденина, и тимина составит по 35 % (А = Т = 70 : 2 = 35 %).
Ответ: 35.
Упражнение
Ответ: 400.