Нуклеиновые кислоты

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ.
СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ. АТФ
Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus – ядро) –
полимеры; макромолекулы с молекулярной массой от 10 000
до нескольких миллионов, обеспечивающие хранение и
реализацию наследственной информации.
Нуклеиновые кислоты открыл Фридрих Мишер в 1868 г.
(лейкоциты, сперматозоиды). Они могут находиться в ядре
растительных и животных клеток, вирусах, бактерий, грибов;
цитоплазме, митохондриях, пластидах.
Нуклеиновые кислоты – биополимеры, мономер –
нуклеотид.
Азотистые основания
↓
↓
пурины
пиримидины
2 кольца
1 кольцо
А (аденин)
Ц (цитозин)
Т (тимин)
Г (гуанин)
У (урацил)
азотистое основание + пентоза = нуклеозид
Ступенчатый
гидролиз нуклеиновых кислот
(от большего к меньшему)
В природе существует два вида нуклеиновых кислот
– ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК
(рибонуклеиновая кислота).
Сравнительная характеристика ДНК и РНК
Признаки
ДНК
РНК
Нахождение в Ядро,
митохондрии, Ядро,
рибосомы,
клетке
хлоропласты
митохондрии,
хлоропласты
Нахождение в Хромосомы
Ядрышко
ядре
Строение
Двойная спираль;
Одинарная
макромолекулы Две полинуклеотидные полинуклеотидная
цепочки закручены одна цепочка
относительно другой.
Две
цепочки
объединяются в единую
молекулу при помощи
водородных
связей,
возникающих
между
азотистыми
основаниями
нуклеотидов
разных
цепей.
При этом А=Т (2
водородные связи), Г=Ц
(3 водородные связи).
Схема
структуры
Мономеры
Дезоксирибонуклеотиды Рибонуклеотиды
Состав
Азотистое
основание: Азотистое
нуклеотидов
аденин, тимин, гуанин, основание: аденин,
цитозин
урацил,
гуанин,
Углевод: дезоксирибоза цитозин
Остаток
фосфорной Углевод: рибоза
кислоты
Остаток фосфорной
кислоты
Типы
Адениловый (А)
Адениловый (А)
нуклеотидов
Гуаниловый (Г)
Гуаниловый (Г)
Тимидиловый (Т)
Урациловый (У)
Цитидиловый (Ц)
Цитидиловый (Ц)
Свойства
Способна
к Неспособна
к
редупликации
редупликации,
(самоудвоению)
по кроме
РНК
принципу
вирусов
комплементарности:
Лабильна
А-Т, Т-А, Г-Ц, Ц-Г
Все
виды
РНК
Стабильна
Функции
Химическая
основа
гена.
Хранение и передача
наследственной
информации
о
первичной
структуре
белка.
Матрица для синтеза
всех видов РНК
синтезируются
в
ядре
клетки
на
ДНК-матрице
по
принципу
комплементарности:
А-У, Т-А, Г-Ц, Ц-Г.
и-РНК (м-РНК) –
программируют
синтез
белков
клетки,
осуществляют
непосредственную
передачу кода ДНК
для синтеза белков.
р-РНК – входят в
состав рибосом.
т-РНК
–
присоединяет
и
переносит
только
одну определенную
аминокислоту
к
рибосомам – месту
синтеза белка
ДНК
ДНК – двойная спираль пар комплементарных,
антипараллельных, полинуклеотидных цепей.
Мономер
–
дезоксирибонуклеотид:
фосфат,
дезоксирибоза, азотистые основания: А, Т, Ц, Г.
Уровни организации молекулы ДНК
1. Первичная структура – полинуклеотидная цепь
(109 нуклеотидов): 3,5-фосфодиэфирная связь (между С3атомом одной молекулы дезоксирибозы и С5-атомом
следующей).
2. Вторичная структура – двойная спираль. Две
полинуклеотидные цепи удерживаются посредством водородных
связей между азотистыми основаниями параллельных цепей.
Для постоянства шага спирали каждая пара включает
одно пуриновое и одно пиримидиновое основание (2+1=3 кольца),
причем между А и Т – 2 водородные связи, между Ц и Г – 3
водородные связи.
Цепи антипараллельны, т.к. одна образуется в направлении от
5’→3’, а другая от 3’→5’ (А. Тодд, 1950 г.).
Цепи комплементарны из-за спаривания оснований: А=Т;
Ц≡Г. Последовательность оснований одной цепи автоматически
определяет последовательность оснований другой цепи.
Правило Эрвина Чаргаффа (1951 г.):
Сумма пуриновых оснований (А, Г) в ДНК всегда равна сумме
пиримидиновых (Ц, Т). Количество А равно количеству Т, а
количество Г равно количеству Ц.
Первое правило: А/Т=Г/Ц=1
Второе правило: А+Г = Ц+Т
Третье правило: А+Ц = Г+Т
Чаграфф не смог полностью объяснить свои правила,
основанные на результатах тщательной аналитической работы с
различными образцами ДНК. Однако уже в 1953 году это сделали
молодые ученые Д. Уотсон и Ф. Крик. Они создали структурную
модель молекулы ДНК
Модель ДНК Уотсона и Крика
В 1953 г. Джеймс Дьюи Уотсон и Френсис Харри Комптон
Крик расшифровали структуру ДНК.
Д. Уотсон
Ф.Крик
ДНК – двойная спираль, в которой 2 полинуклеотидные цепи
удерживаются водородными связями между комплементарными
основаниями.
Данная модель была основана на следующих фактах:
• данные химического анализа (ДНК – полинуклеотид);
• работа Эрвина Чаргаффа о равном соотношении в ДНК
аденина и тимина, цитозина и гуанина;
• рентгенограмма ДНК, полученная
Розалиндой
Франклин и Морисом
Уилкинсом.
Именно модель Уотсона-Крика позволила объяснить, каким
образом при делении клетки в каждую дочернюю клетку попадает
идентичная информация, содержащаяся в материнской клетке. Это
происходит в результате удвоения молекулы ДНК, то есть в
результате репликации.
Репликация (от лат. replicatio — возобновление) —
процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой
кислоты на матрице родительской молекулы ДНК.
Параметры ДНК
1.
2.
3.
4.
Шаг спирали – 3,4 нм.
Шаг между нуклеотидами – 0,34 нм.
В каждом шаге – 10 нуклеотидов.
Диаметр спирали – 2 нм.
Длина: простейшие вирусы – несколько тысяч звеньев,
бактерии – несколько миллионов звеньев,
высшие организмы – миллиарды звеньев.
Если все молекулы ДНК одной клетки человека вытянуть в
одну линию, то получится нить длиной около 2 метров!
Молекула ДНК несет на себе отрицательный заряд, причем
величина заряда пропорциональна длине цепочки. Это следствие
обычной электролитической диссоциации фосфатных остатков.
Каждому отрицательному заряду фосфатной группы соответствует
положительный заряд катиона. Обычно это ион Na+, а не H+,
поэтому хотя ДНК и называют кислотой, на самом деле она всегда
– соль.
3.
Третичная структура ДНК – нуклеопротеиды –
соединение ДНК с белками.
При соединении ДНК с белками-гистонами степень
спирализации молекулы ДНК повышается – возникает
суперспираль ДНК, толщина которой возрастает, а длина
сокращается. Выделяют 4 уровня компактизации ДНК:
1. Нуклеосомный (двойная спираль ДНК + 8 гистонов).
2. Нуклеомерный (спираль из нуклеосомной нити (6–8
нуклеосом в глобулу с образованием фибриллы – соленоид).
3. Хромомерный (петли фибрилл объединены скрепками из
негистоновых белков).
4. Хромонемный (петли в стопки – хроматин, при
суперспирализации – хроматиды).
При изменении условий ДНК, подобно белкам, может
подвергаться денатурации, называемой плавлением. При возврате
к нормальным условиям ДНК ренатурирует (репарация).
Репликация (редупликация) – самоудвоение ДНК
Удвоение молекулы ДНК называют репликацией или
редупликацией.
Во
время
репликации
часть
молекулы
«материнской» ДНК расплетается на две нити с помощью
специального фермента геликазы, причем это достигается разрывом
водородных связей между комплементарными азотистыми
основаниями: аденином —тимином и гуанином – цитозином. Далее
к каждому нуклеотиду разошедшихся нитей ДНК фермент ДНКполимераза подстраивает комплементарный ему нуклеотид. Таким
образом, образуются две двуцепочечные молекулы ДНК, в состав
каждой из которых входят одна цепочка «материнской» молекулы и
одна новосинтезированная «дочерняя» цепочка. Эти две молекулы
ДНК абсолютно идентичны.
Функции ДНК
Хранение,
передача,
воспроизведение
генетической
информации в ряду поколений. ДНК содержит информацию о
первичной структуре белка.
РНК
РНК – биополимер, мономер – рибонуклеотид: фосфат,
рибоза, азотистые основания (А, У, Г, Ц); размеры (70–4500
нуклеотидов).
По структуре РНК
↓
↓
одноцепочные
двуцепочные
перенос
информации хранители
генетической
о структуре белков, участие информации у ретровирусов
в синтезе белков
ядрышко, рибосомы,
цитоплазма, митохондрии,
хлоропласты
Виды РНК
1. иРНК (мРНК) – информационная или матричная: 3-5%
РНК клетки. Перенос из ядра к рибосомам генетической
информации о последовательности аминокислот в белке. 75-3000
нуклеотидов.
2. рРНК – рибосомная: 80-90% РНК клетки. Составляет в
комплексе с белками рибосому. Участие в синтезе белка.
Кодируется особыми генами ядрышкового организатора. 150-4500
нуклеотидов.
3. тРНК – транспортная: 10-15% РНК клетки. Доставляет
аминокислоты к месту синтеза белка и осуществляет точную
ориентацию аминокислоты на рибосоме. 70-100 нуклеотидов.
4. рибозим
РНК-фермент
подготовку к трансляции.
катализирует
собственную
АТФ
АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) – органическое
соединение – в структуре молекулы - нуклеотид: аденозин
(аденин+рибоза) + три остатка фосфорной кислоты (Ф),
соединенные макроэргической связью (~)
АТФ образуется в процессе клеточного дыхания в
митохондриях (окислительное фосфорилирование) и в процессе
фотосинтеза в хлоропластах (фотофосфорилирование).
АТФ – вещество-макроэргическое, т.к. два концевых остатка
фосфорной
кислоты
в
АТФ
связаны
между
собой
макроэргической связью.
При гидролитическом отщеплении одной фосфатной группы
выделяется 30,6 кДж.
аденозин-Ф~Ф~Ф +Н2О → аденозин-Ф~Ф + Ф + 30,6 кДж
АТФ
АДФ
При
последующем
отщеплении
фосфатной
группы
выделяется 30,6 кДж.
аденозин-Ф~Ф +Н2О
АДФ
→
аденозин-Ф +Ф + 30,6 кДж
АМФ
При отщеплении последней фосфатной группы выделяется
13,8 кДж.
аденозин-Ф + Н2О
АМФ
→
Аденозин + Ф + 13,8 кДж
АТФ содержится в каждой
митохондриях, хлоропластах и ядре.
клетке
в
цитоплазме,
Функции: АТФ – универсальный носитель энергии клетки. С
ее помощью клетка движется, синтезирует новые молекулы белков,
углеводов, жиров, избавляется от продуктов обмена, осуществляет
активный транспорт веществ и т.д.
АТФ – вещество нестойкое, средняя продолжительность жизни
одной молекулы менее 1 минуты, так как она расщепляется и
восстанавливается 2400 раз в сутки.
2. ТЕСТЫ С ВЫБОРОМ ОДНОГО ПРАВИЛЬНОГО ОТВЕТА
1. Нуклеиновые кислоты, в отличие от крахмала, содержат
атомы:
а) азота и фосфора;
б) водорода и кислорода;
в) калия и кальция;
г) серы и магния.
2. Молекулы ДНК находятся в хромосомах, митохондриях
и хлоропластах клеток:
а) бактерий;
б) эукариот;
в) прокариот;
г) бактериофагов.
3. В состав нуклеиновых кислот могут входить углеводы:
а) глюкоза и сахароза;
б) пировиноградная и молочная кислоты;
в) рибоза и дезоксирибоза;
г) дезоксирибоза и мальтоза.
4. Рибоза, в отличие от дезоксирибозы, входит в состав:
а) ДНК;
б) иРНК;
в) белков;
г) полисахаридов.
5. Комплементарные нуклеотиды в нуклеиновых кислотах
соединяются … связью.
а) пептидной;
б) фосфодиэфирной;
в) водородной;
г) гликозидной.
6. Первичная структура ДНК представляет собой:
а) простую неразветвленную правозакрученную спираль;
б) двойную правозакрученную спираль в комплексе
с белками;
в) линейную последовательность нуклеотидов;
г) двойную неразветвленную правозакрученную спираль.
7. В молекуле ДНК количество нуклеотидов с Т составляет
10% от общего числа. Какой процент нуклеотидов с Ц в этой
молекуле?
а) 15%;
б) 20%;
в) 45%;
г) 40%.
8. Первичная, вторичная и третичная структуры молекулы
характерны для:
а) гликогена;
б) аденина;
в) аминокислоты;
г) ДНК.
9. Принцип комплементарности соблюдается в молекуле:
а) белка;
б) иРНК;
в) целлюлозы;
г) ДНК.
10. ДНК медведя отличается от ДНК осла:
а) набором нуклеотидов;
б) функциями;
в) последовательностью нуклеотидов;
г) сложностью организации.
11. Урацил входит в состав:
а) РНК;
б) ДНК;
в) гликогена;
г) инсулина.
12. ДНК пчелы отличается от ДНК другой пчелы:
а) составом нуклеотидов;
б) функциями;
в) размерами;
г) последовательностью нуклеотидов.
13. Нуклеотиды являются мономерами:
а) белков;
б) липидов;
в) углеводов;
г) РНК.
14. С помощью молекул иРНК осуществляется передача
наследственной информации:
а) из ядра к митохондрии;
б) из одной клетки в другую;
в) из ядра к рибосоме;
г) от родителей потомству.
15. Из остатков азотистого
и фосфорной кислоты состоит:
а) нуклеотид РНК;
б) нуклеотид ДНК;
в) тРНК;
г) иРНК.
основания,
дезоксирибозы
16. Принцип комплементарности лежит в основе взаимодействия:
а) аминокислот и образования первичной структуры белка;
б) нуклеотидов и образования двуцепочной молекулы ДНК;
в) глюкозы и образования молекулы полисахарида клетчатки;
г) глицерина и жирных кислот и образования молекулы жира.
17. РНК в клетках участвует в:
а) хранении наследственной информации;
б) биосинтезе белков;
в) биосинтезе углеводов;
г) регуляции обмена жиров.
18. Молекулы ДНК представляют собой материальную основу
наследственности, так как в них закодирована информация о
структуре молекул:
а) полисахаридов;
б) белков;
в) липидов;
г) аминокислот.
19. Какие вещества служат универсальным биологическим
аккумулятором энергии в клетке?
а) белки;
б) липиды;
в) ДНК;
г) АТФ.
20. Синтез молекул АТФ в клетке может происходить в:
а) митохондриях и хлоропластах;
б) ядре и рибосомах;
в) аппарате Гольджи и лизосомах;
г) хромосомах и ядрышке.
3. ТЕСТЫ С ВЫБОРОМ НЕСКОЛЬКИХ ПРАВИЛЬНЫХ ОТВЕТОВ
1. В каких структурах клетки эукариот локализованы
молекулы ДНК?
а) цитоплазме;
б) ядре;
в) митохондриях;
г) рибосомах;
д) хлоропластах;
е) лизосомах.
2. Чем молекула иРНК отличается от ДНК?
а) переносит наследственную информацию из ядра
к рибосоме;
б) в состав нуклеотидов входят остатки азотистых
оснований, углевода и фосфорной кислоты;
в) состоит из одной полинуклеотидной цепи;
г) состоит из связанных между собой двух
полинуклеотидных нитей;
д) в ее состав входит углевод рибоза и азотистое
основание урацил;
е) в ее состав входит углевод дезоксирибоза и азотистое
основание тимин.
3. Молекула АТФ содержит:
а) три остатка фосфорной кислоты;
б) один остаток фосфорной кислоты;
в) дезоксирибозу;
г) аденин;
д) рибозу;
е) тимин.
4. УСТАНОВИТЕ СООТВЕТСТВИЕ
1. Установите соответствие между признаками нуклеиновых
кислот и их видами.
Признаки нуклеиновых кислот Виды нуклеиновых кислот
А)
состоит
из
двух 1) ДНК;
полинуклеотидных
цепей, 2) иРНК.
закрученных в спираль.
Б)
состоит
из
одной
неспирализованной
полинуклеотидной цепи.
В) передает наследственную
информацию от ядра к рибосоме.
Г)
является
хранителем
наследственной информации.
Д) состоит из нуклеотидов: А, Т,
Г, Ц.
Е) состоит из нуклеотидов: А, У,
Г, Ц.
А
Б
В
Г
Д
Е
5. УСТАНОВИТЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ
1. Установите, в какой последовательности происходит
процесс редупликации ДНК.
А) раскручивание спирали молекулы.
Б) воздействие фермента ДНК-полимеразы на молекулу.
В) отделение одной цепи от другой на части молекулы ДНК.
Г) присоединение к каждой цепи ДНК комплементарных
нуклеотидов.
Д) образование двух молекул ДНК из одной.
6. ВЫБЕРИТЕ ВЕРНЫЕ УТВЕРЖДЕНИЯ
1. В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик расшифровали структуру
белка.
2. Первичная структура ДНК – двутяжевая спираль.
3. Плавление – это денатурация ДНК.
4. Диаметр спирали ДНК – 2 нм.
5. Мономер белка – нуклеотид.
6. Нуклеотид состоит из пентозы, азотистого основания
и фосфата.
7. Цепи ДНК антипараллельны.
8. Редупликацию ДНК осуществляет только фермент ДНКполимераза.
9. Количество А равно количеству Т, а количество Г равно
количеству Ц – это правило Чаргаффа.
10. Комплементарность – это редупликация ДНК.
11. Порядок соединения нуклеотидов в одной цепи
произвольный.
12. Нуклеозид = нуклеотид.
13. ДНК у прокариот не имеет ни 3, ни 5 концов.
14. ДНК отвечает за передачу и хранение наследственной
информации.
15. ДНК имеет четвертичную структуру.
16. Нуклеиновые кислоты – это, в основном, ядерные кислоты.
17. В 1868 г. впервые нуклеиновые кислоты были описаны
Ф. Мишером.
18. Различают иРНК, тРНК, рРНК, рибозим РНК,
внеклеточную РНК.
19. Репарация – восстановление структуры ДНК.
20. Две цепи ДНК в двойной спирали удерживаются тремя
водородными связями между аденином и тимином и двумя – между
цитозином и гуанином.
7. НАЙДИТЕ ОШИБКИ В ПРИВЕДЕННОМ ТЕКСТЕ, ИСПРАВЬТЕ ИХ
(укажите номера предложений, в которых сделаны ошибки, объясните их)
1. Информационная РНК синтезируется на молекуле ДНК.
2. Ее длина не зависит от объема копируемой информации. 3.
Количество иРНК составляет 85% от всего количества РНК
в клетке. 4. В клетке существует три вида РНК. 5. Каждая тРНК
присоединяет определенную аминокислоту и транспортирует ее к
рибосомам. 6. У эукариот тРНК намного длиннее, чем иРНК.
8. ДАЙТЕ РАЗВЕРНУТЫЙ ОТВЕТ НА ВОПРОСЫ
1. Строение молекулы какого мономера изображено на
представленной схеме?
2. Что обозначено буквами А, Б, В?
3. Назовите виды биополимеров, в состав которых входит
данный мономер.