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 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).

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 трех 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.

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. 

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 трех 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 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. 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 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

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. трех 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.