Нуклеиновые кислоты – это фосфорсодержащие нерегулярные гетерополимеры. Открыты в 1868 Г.Ф. Мишером.
Нуклеиновые кислоты содержатся в клетках всех живых организмов. Причем, каждый вид организмов содержит свой, характерный только для него набор нуклеиновых кислот. В природе насчитывается более 1 200 000 видов живых организмов – от бактерий и человека. Это значит, что существует около 10 10 различных нуклеиновых кислот, которые построены всего лишь из четырех азотистых оснований. Каким образом четыре азотистых основания могут закодировать 10 10 нуклеиновых кислот? Приблизительно так же, как и мы кодируем наши мысли на бумаге. Мы устанавливаем последовательность из букв алфавита, группируя их в слова, а природа кодирует наследственную информацию, устанавливая последовательность из множества нуклеотидов.
Нуклеотид – сравнительно простой мономер, из молекул которого построены нуклеиновые кислоты. Каждый нуклеотид состоит из: азотистого основания, пятиуглеродного сахара (рибозы или дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. Главной частью нуклеотида является азотистое основание.
Азотистые основания имеют циклическую структуру, в состав которой наряду с другими атомами (С, О, Н) входят атомы азота. Благодаря этому эти соединения получили название азотистые . С атомами азота связаны и важнейшие свойства азотистых оснований, например, их слабоосновные (щелочные) свойства. Отсюда эти соединения и получили название «основания».
В природе в состав нуклеиновых кислот входят всего пять из известных азотистых оснований. Они встречаются во всех типах клеток, начиная от микоплазм и до клеток человека.
Это пуриновые азотистые основания Аденин (А) и Гуанин (Г) и пиримидиновые Урацил (У), Тимин (Т) и Цитозин (Ц).Пуриновые основания являются производными гетероцикла пурина, а пиримидиновые – пиримидина. Урацил входит только в состав РНК, а тимин – в ДНК. А, Г и Ц встречаются как в ДНК, так и в ДНК.
В составе нуклеиновых кислот встречаются два типа нуклеотидов: дезоксирибонуклеотиды – в ДНК, рибонуклеотиды – РНК. Структура дезоксирибозы отличается от структуры рибозы тем, что при втором атоме углерода дезоксирибозы нет гидроксильной группы.
В результате соединения азотистого основания и пентозы образуется нуклеозид . Нуклеозид, соединенный с остатком фосфорной кислоты – нуклеотид :
азотистое основание + пентоза = нуклеозид + остаток фосфорной кислоты = нуклеотид
Соотношение азотистых оснований в молекуле ДНК описывают Правила Чаргаффа :
1. Количество аденина равно количеству тимина (А = Т).
2. Количество гуанина равно количеству цитозина (Г = Ц).
3. Количество пуринов равно количеству пиримидинов (А + Г = Т + Ц), т.е. А + Г/Т + Ц = 1.
4. Количество оснований с шестью аминогруппами равно количеству оснований с шестью кетогруппами (А + Ц = Г + Т).
5. Соотношений оснований А + Ц/Г + Т является величиной постоянной, строго видоспецифичной: человек – 0,66; осьминог – 0,54; мышь – 0,81; пшеница – 0,94; водоросли – 0,64-1,76; бактерии – 0,45-2,57.
На основании данных Э. Чаргаффа о соотношении пуриновых и пиримидиновых оснований и результатов рентгеноструктурного анализа, полученных М. Уилкинсом и Р. Франклин в 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили модель молекулы ДНК. За разработку двуспиральной молекулы ДНК Уотсон, Крик и Уилкинс в 1962 г. Были удостоены Нобелевской премии.
Молекула ДНК имеет две цепи, расположенные параллельно друг другу, но в обратной последовательности. Мономерами ДНК являются дезоксирибонуклеотиды: адениловый (А), тимидиловый (Т), гуаниловый (Г) и цитозиловый (Ц). Цепи удерживаются между собой за счет водородных связей: между А и Т две, между Г и Ц три водородные связи. Двойная спираль молекулы ДНК закручена в виде спирали, причем один виток включает 10 пар нуклеотидов. Витки спирали удерживаются водородными связями и гидрофобными взаимодействиями. В молекуле дезоксирибозы свободные гидроксильные группы находятся в положении 3’ и 5’. По этим положениям между дезоксирибозой и фосфорной кислотой может образовываться сложная диэфирная связь, которая соединяет друг с другом нуклеотиды. При этом один конец ДНК несет 5’-OH – группу, а другой – 3’-OH – группу. ДНК – самые крупные органические молекулы. Их длина составляет у бактерий от 0,25 нм до 40 мм у человека (длина самой большой молекулы белка не более 200 нм). Масса молекулы ДНК – 6 х 10 -12 г.
Постулаты ДНК
1. Каждая молекула ДНК состоит из двух антипараллельных полинуклеотидных цепей, образующих двойную спираль, закрученную (вправо, или влево) вокруг центральной оси. Антипараллельность обеспечивается соединением 5’-конца одной цепи с 3’-концом другой цепи и наоборот.
2. 
Каждый нуклеозид (пентоза + основание) расположен в плоскости, перпендикулярной оси спирали.
3. Две цепи спирали скреплены водородными связями между основаниями А–Т (две) и Г–Ц (три).
4. Спаривание оснований высокоспецифично и происходит по принципу комплементарности, в результате возможны только пары А: Т, Г: Ц.
5. Последовательность оснований одной цепи может значительно варьировать, но последовательность их в другой цепи строго комплементарна.
ДНК обладает уникальными свойствами репликации (способностью к самоудвоению) и репарации (способностью к самовосстановлению).
Репликация ДНК – реакция матричного синтеза, процесс удвоения молекулы ДНК путем редупликации. В 1957 г. М. Дельбрюк и Г. Стент на основании результатов экспериментов предложили три модели удвоения молекулы ДНК:
Консервативная: предусматривает сохранность исходной двухцепочечной молекулы ДНК и синтез новой тоже двухцепочечной молекулы;
- полуконсервативная: предполагает разъединение молекулы ДНК на моноцепочки в результате разрыва водородных связей между азотистыми основаниями двух цепей, после чего к каждому основанию, потерявшему партнера, присоединяется комплементарное основание; дочерние молекулы получаются точными копиями материнской молекулы;
- дисперсная : заключается в распаде исходной молекулы на нуклеотидные фрагменты, которые реплицируются. После репликации новые и материнские фрагменты собираются случайно.
В том же, 1957 г., М. Мезельсон и Ф. Сталь экспериментально доказали реальность существования полуконсервативной модели на кишечной палочке. А через 10 лет, в 1967 г., японский биохимик Р. Оказаки расшифровал механизм репликации ДНК полуконсервативным способом.
Репликация осуществляется под контролем ряда ферментов и протекает в несколько этапов. Единицей репликации служит репликон – участок ДНК, который в каждом клеточном цикле только 1 раз приходит в активное состояние. Репликон имеет точки начала и конца репликации. У эукариот в каждой ДНК одновременно возникает множество репликонов. Точка начала репликации движется последовательно вдоль цепи ДНК в одном, или в противоположных направлениях. Перемещающийся фронт репликации представляет собой вилку – репликативная или репликационная вилка .
Как в любой реакции матричного синтеза в репликации выделяют три стадии.
Инициация : присоединение фермента хеликазы (геликазы) к точке начала репликации. Хеликаза расплетает короткие участки ДНК. После этого к каждой из разделившихся цепей присоединяется ДНК-связывающий белок (ДСБ), препятствующий воссоединению цепей. У прокариот имеется еще дополнительный фермент ДНК-гираза , который помогает хеликазе раскручивать ДНК.
Элонгация : последовательное комплементарное присоединение нуклеотидов, в результате чего цепь ДНК удлиняется.
Синтез ДНК идет сразу на обеих её цепях. Поскольку фермент ДНК-полимераза может собирать цепь нуклеотидов только в направлении от 5’ к 3’, то одна из цепей реплицируется непрерывно (в направлении репликативной вилки), а другая – прерывисто (с образованием фрагментов Оказаки), в противоположном движению репликативной вилки направлении. Первая цепь называется ведущей , а вторая – отстающей . Синтез ДНК идет при участии фермента ДНК-полимеразы. Аналогичным образом синтезируются фрагменты ДНК на отстающей цепи, которые затем сшиваются ферментами – лигазами.
Терминация : прекращение синтеза ДНК по достижении нужной длины молекулы.
Репарация ДНК – способность молекулы ДНК «исправлять» возникшие в ее цепях повреждения. В этом процессе принимают участие более 20 ферментов (эндонуклеазы, экзонуклеазы, рестриктазы, ДНК-полимеразы, лигазы). Они:
1) находят измененные участки;
2) вырезают и удаляют их из цепи;
3) восстанавливают правильную последовательность нуклеотидов;
4) сшивают восстановленный фрагмент ДНК с соседними участками.
ДНК выполняет в клетке особые функции, которые определяются её химическим составом, строением и свойствами: хранение, воспроизведение и реализация наследственной информации между новыми поколениями клеток и организмов.
РНК распространены во всех живых организмах и представлены разнообразными по размерам, структуре и выполняемым функциям молекулами. Они состоят из одной полинуклеотидной цепи, образованной четырьмя видами мономеров – рибонуклеотидов: аденилового (А), урацилового (У), гуанилового (Г) и цитозилового (Ц). Каждый рибонуклеотид состоит из азотистого основания, рибозы и остатка фосфорной кислоты. Все молекулы РНК являются точными копиями определенных участков ДНК (генов).
Структура РНК определяется последовательностью рибонуклеотидов:
- первичная – последовательность рибонуклеотидов в цепи РНК; это своеобразная запись генетической информации; определяет вторичную структуру;
- вторичная – закрученная в спираль нить РНК;
- третичная – пространственное расположение всей молекулы РНК; третичная структура включает в себя вторичную структуру и фрагменты первичной, которые соединяют один участок вторичной структуры с другим (транспортная, рибосомная РНК).
Вторичная и третичная структуры формируются за счет водородных связей и гидрофобных взаимодействий между азотистыми основаниями.
Информационная РНК (и-РНК) – программирует синтез белков клетки, поскольку каждый белок кодируется соответствующей и-РНК (и-РНК содержит информацию о последовательности аминокислот в белке, который должен синтезироваться); масса 10 4 -2х10 6 ; маложивущая молекула.
Транспортная РНК (т-РНК) – 70-90 рибонуклеотидов, масса 23 000-30 000; при реализации генетической информации она доставляет активированные аминокислоты к месту синтеза полипептида, «узнает» соответствующий участок и-РНК; в цитоплазме представлена двумя формами: т-РНК в свободной форме и т-РНК, связанная с аминокислотой; более 40 видов; 10%.
Нуклеиновыми кислотами называют природные биополимеры, являющиеся продуктами реакции поликонденсации нуклеотидов.
По виду нуклеотидов различают два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые (РНК) и дезоксирибонуклеиновые (ДНК).
Рибонуклеиновые кислоты - нуклеиновые кислоты, получаемые при поликонденсации рибонуклеотидов.
Дезоксирибонуклеиновые кислоты - это продукты поликонденсации дезоксирибонуклеотидов.
Дезоксирибонуклеотиды (ДНК-нуклеотиды) в своем составе содержат остатки дезоксирибозы.
Рибонуклеотиды (РНК-нуклеотиды) - нуклеотиды, в состав молекул которых входят остатки рибозы.
РНК и ДНК называют нуклеиновыми (ядерными) потому, что они были обнаружены в ядрах клеток (особенно ДНК), однако они могут встречаться и в других органиодах (пластидах, митохондриях, клеточном центре и т. д.).
Краткая характеристика нуклеотидов, нуклеозидов, азотистых циклических оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот
Если нуклеотид (любой) подвергнуть полному гидролизу, то при этом можно получить циклическое азотистое основание, пентозу и фосфорную (орто) кислоту. При частичном гидролизе нуклеотида получают фосфорную кислоту и нуклеозид. Если гидролизу подвергнуть нуклеозид, то можно получить циклическое азотистое основание и пентозу (рибозу или дезоксирибозу).
Итак, при гидролизе ДНК-нуклеотида можно получить ДЕК-нуклеозид и фосфорную кислоту (неполный гидролиз), либо азотистое основание (циклическое), дезоксирибозу (пентозу) и фосфорную кислоту.
Продуктами частичного гидролиза РНК-нуклеотида является фосфорная кислота и РНК-нуклеозид, а полного гидролиза - циклическое азотистое основание, рибоза (пентоза) и фосфорная кислота.
Если же необходимо получить РНК-нуклеотид, то вначале из природного циклического азотистого основания и рибозы получают РНК-нуклеозид, который можно использовать для синтеза РНК-нуклеотида, проведя реакцию его с фосфорной кислотой. Аналогично можно синтезировать ДНК-нуклеотид, только вместо рибозы необходимо использовать дезоксирибозу.
При исследовании состава нуклеиновых кислот был обнаружен ряд природных циклических оснований, важнейшими среди которых являются аденин, гуанин (они относятся к пуриновым основаниям, содержат два взаимосвязанных цикла и являются производными циклического вещества пурина; остатки этих оснований входят и в ДНК, и в РНК).
Кроме аденина и гуанина в составе нуклеиновых кислот обнаружили остатки цитозина, тимина и урацила (эти азотистые основания относят к пиримидиновым основаниям, так как они являются производными пиримидина). Они содержат в своем составе один цикл, напоминающий по структуре бензольное ядро, но часть углерода в нем заменена на атомы азота). Остатки цитозина содержатся как в ДНК, так и в РНК, а остатки тимина - только в ДНК, а урацила - только в РНК.
Эмпирические формулы (не для запоминания): аденина - С 5 Н 5 N 5 ; гуанина - С 5 Н 5 Н 5 O; цитозина - С 4 Н 5 N 3 O; урацила - С 4 Н 4 N 2 O 2 ; тимина - С 5 Н 6 N 2 O 2 .
Азотистые основания в своем составе содержат группы =NН, -ИН 2 , карбонильные группы, атомы азота, что приводит к образованию водородных связей, играющих большую роль в возникновении структур нуклеиновых Кислот, их устойчивости и многообразных свойств.
Обучающемуся нужно понимать и уметь составлять схемы нуклеозидов и нуклеотидов. Ниже приведены некоторые из таких схем. Важным является и понимание номенклатуры (названий) нуклеозидов и нуклеотидов. Их названия строятся по названию азотистого основания, которое является прилагательным к слову нуклеозид или нуклеотид, при этом в названии указывается вид нуклеотида (нуклеозида) по остатку пентозы, например, адениловый ДНК-нуклеотид; это означает, что данное вещество состоит из остатка аденозина, дезоксирибозы и фосфорной кислоты, соединенных кислородными мостиками.
Примеры схем РНК-нуклеозидов:
1) «остаток цитозина - остаток рибозы» - это цитозиловый РНК-нуклеозид;
2) «остаток урацила - остаток рибозы» - это урациловый РНК-нуклеозид.
Пример схемы и названия ДНК-нуклеозида:
«остаток аденина - остаток дезоксирибозы» - это адениловый ДНК-нуклеозид.
Пример схемы и названия ДНК-нуклеотида:
«остаток тимина - остаток дезоксирибозы - остаток фосфорной кислоты» - тимидиловый ДНК-нуклеотид.
Пример схемы и названия РНК-нуклеотида:
«остаток урацила - остаток рибозы - остаток фосфорной кислоты» - это урациловый РНК-нуклеотид.
Краткая характеристика структуры молекул ДНК
ДНК обладают очень сложной структурой, которая была раскрыта в работах ряда ученых, в том числе Дж. Уотсона и Ф. Крика (1953). Различают ряд структур, некоторые из которых будут рассмотрены ниже.
1. Как и для белков, для ДНК характерна первичная структура, характеризующаяся последовательностью расположения остатков нуклеотидов. В образовании ДНК участвуют адениловый, гуаниловый, цитозиловый и тимидиловый ДНК-нуклеотиды.
Итак, первичная структура ДНК - это последовательность остатков нуклеотидов, связанных остатками фосфорной кислоты, при этом последний кислородными мостиками соединяет остатки нуклеозидов через 3-5-й атомы углерода дезоксирибозы. Остаток азотистого основания связан с первым атомом углерода дезоксирибозы, а собственный остаток фосфорной кислоты данного ДНК-нуклеотида связан через кислородный мостик с третьим атомом углерода дезоксирибозы, и этот остаток фосфорной кислоты при поликонденсации взаимодействует с группой «ОН», связанной с пятым атомом углевода другого нуклеотида. Схематично первичную структуру ДНК (без учета ее структурных особенностей) можно изобразить последовательностью заглавных начальных букв от названий нуклеотидов, например:
А-Ц-Ц-Г-Т-Т……,
где А - остаток от аденилового, Г - гуанилового, Т - тимидилового, Ц - цитозилового ДНК-нуклеотида. Разновидностей последовательности сочетаний остатков нуклеотидов бесконечное множество, поэтому и разновидностей молекул ДНК очень много, настолько много, что каждая особь конкретного вида имеет свои ДНК, характерные только для данного организма.
2. Вторичная структура ДНК состоит в том, что она образует двойную цепь, т. е. две полинуклеотидные цепи объединяются и образуют единую молекулу. Такое объединение возможно за счет того, что азотистые основания (а следовательно, и остатки нуклеотидов) обладают комплементарностью - взаимодополнением за счет образования между остатками азотистых оснований (или ее возможностью) водородных связей. Установлено, что аденин комплементарен тимину, так как между ними образуются две водородные связи: первая между группой - NН 2 (от аденина) и атомом кислорода группы =С=O (от тимина), а вторая между атомом азота шестичленного цикла аденина и атомом группы =NH (в молекуле тимина).
Примечание. В РНК вместо остатков тимина содержатся остатки урацила и это основание комплементарно аденину по той же причине, что и тимин комплементарен аденину; это важно знать и учитывать при рассмотрении процессов синтеза РНК.
Гуанин комплементарен цитозину, так как между этими основаниями (или их остатками) возникает три водородных связи: первая между атомом кислорода карбонильной группы (=С=O) шестичленного цикла гуанина и атомом водорода группы - NН 2 цитозина; вторая осуществляется атомом водорода группы =NН шестичленного цикла гуанина и атомом азота в цикле цитозина; третья связь реализуется атомом водорода аминогруппы (-NН 2) гуанина и атомом кислорода карбонильной группы цитозина (характеристика сущности принципа комплементарности для остатков нуклеотидов дана для иллюстрации, а не для запоминания).
3. Третичная структура ДНК состоит в том, что две двойные полинуклеотидные цепи сворачиваются в единую альфа-спираль, при этом начало первой двойной полинуклеотидной цепи направлено к концевой части второй полинуклеотидной цепи по принципу «голова-хвост».
Устойчивость третичной структуры ДНК связана со способностью возникновения водородных связей между отдельными участками полинуклеотидных цепей и другими видами связей.
4. Четвертичная структура ДНК представляет собой пространственное расположение альфа-спирали. ДНК, как и все нуклеиновые кислоты, образует с сложные белки - нуклеопротеиды, которые (для ДНК) образуют специальные органоиды клетки - хромосомы.
Краткая характеристика эколого-биологической роли ДНК
ДНК наряду с белками является неотъемлемой составной частью живого вещества; без этих соединений жизнь как свойство материи практически невозможна, что и характеризует эколого-биологическую роль ДНК. Можно назвать следующие биолого-экологические функции ДНК.
1. ДНК - это «вместилище» о признаках данного организма, поэтому за счет передачи ДНК генеративным (половым) клеткам происходит передача наследственных признаков от родителей к потомкам.
2. На ДНК происходит синтез РНК, за счет чего происходит передача информации о строении и свойствах белков на органоиды, на которых происходит биосинтез белка, что приводит к синтезу белков с определенными свойствами и к реализации конкретных признаков, присущих данному организму.
3. Отдельные участки ДНК «ведают» информацией об определенных конкретных признаках организма и носят название «гены» (гены являются материальной основой наследственности).
(Определение понятия ген неоднозначно, существуют разные точки зрения по этому вопросу, однако, не усложняя картину, можно использовать такое определение:
Ген - это определенный участок молекулы ДНК с разнообразными видами его строения, состоящий из определенного количества остатков нуклеотидов, отвечающий за передачу и реализацию данного конкретного признака от одного организма к другому.)
4. ДНК вместе с белками образуют хромосомы - особые органоиды клетки, которые четко проявляются в процессе «непрямого» деления (митоза). Благодаря наличию хромосом происходит равномерное распределение ядерного вещества, а именно ДНК, между дочерними клетками, что важно для равноценности будущего потомства и его выживания в условиях внешней среды.
5. На исходных молекулах ДНК происходит синтез (самовоспроизведение) новых молекул ДНК в период интерфазы (промежутка времени между делениями) либо в период подготовки клеток к делению (если вновь образующиеся клетки в дальнейшем не способны к делению, что характерно для сперматозоидов, эритроцитов и т. д.).
Краткая характеристика процессов синтеза ДНК в организмах
Синтез ДНК или репликация (редупликация) - один из важнейших эколого-биологических процессов, от которого зависит существование живых существ, и на который отрицательное воздействие оказывают различные процессы, протекающие в окружающей среде. Репликация - это классический пример матричного синтеза (синтеза на определенной основе), широко встречающегося в природе. Рассмотрим некоторые особенности репликации.
Перед началом репликации изменяется структура материнской молекулы ДНК: нарушается четвертичная структура ее молекулы, двойная спираль раскручивается (разрушается третичная структура), а затем каждая из двойных полинуклеотидных цепей начинает разделяться на одинарные полинуклеотидные цепи (нарушается вторичная структура молекулы ДНК), т. е. из одной молекулы возникают зачатки четырех одинарных полинуклеотидных цепей. На каждом из зачатков одинарной полинуклеотидной цепи происходит формирование новых двойных полинуклеотидных цепей в результате реакции поликонденсации под влиянием ферментов и за счет энергии гидролиза АТФ.
Матрицей в этом синтезе является одинарная полинуклеотидная цепь, на которой по принципу комплементарности формируется новая полинуклеотидная цепь, связанная с материнской цепью водородными связями.
В результате этого процесса в конечном итоге возникает четыре двойных полинуклеотидных цепи, т. е. формируется вторичная структура молекулы ДНК. Из четырех возникших двойных полинуклеотидных цепей формируются две альфа-спирали, дающие начало двум молекулам равноценных ДНК, которые представляют копии молекулы. За счет этого процесса количество ДНК в клетке удваивается, что является предпосылкой для реализации обычного деления, протекающего либо в форме митоза (непрямого деления), либо в форме амитоза (прямого деления).
Краткая характеристика РНК (строение молекул, классификация, эколого-биологическая роль)
Рибонуклеиновые кислоты (РНК) являются продуктами реакции поликонденсации РНК-нуклеотидов.
РНК многообразны, имеют определенную классификацию, но обладают общей для всех РНК первичной структурой, состоящей в том, что все они являются последовательностью остатков РНК-нуклеотидов в одинарной полинуклеотидной цепи; эти остатки связаны друг с другом остатком фосфорной кислоты через 3-5-й атомы углерода рибозы разных нуклеозидов. В состав РНК входят остатки четырех видов РНК-нуклеотидов: аденилового, гуанилового, цитозидового и урацилового (последний нуклеотид аналогичен тимидиловому для ДНК).
По строению и выполняемым функциям различают три типа РНК: 1) информационная или иРНК; 2) транспортные или тРНК; 3) рибосомальные или рРНК. Кратко охарактеризуем эти разновидности РНК.
1. Информационные РНК (иРНК) - это РНК, главной функцией которых является перенесение информации о строении, а следовательно, и свойствах белков, на органоид клетки, где происходит синтез молекул белка. ИРНК является матрицей для синтеза белковой молекулы, в чем и состоит ее вторая функция. ИРНК представляет собой полинуклеотидную цепь определенной длины, соответствующей длине гена, в котором закодирована информация о строении белка, а следовательно, и признаке организма. ИРНК всегда значительно короче (по длине), чем ДНК. Разновидностей иРНК бесконечное множество, поскольку много отдельных особей организмов, а соответственно и признаков, им соответствующих.
2. Транспортные РНК (тРНК) - это относительно небольшие молекулы специфического строения, их относительно немного - 64. Их главная функция - транспорт молекул природных альфа-аминокислот к месту синтеза молекул белка (в рибосомы). ТРНК активизируют аминокислоты и переносят их к месту синтеза белка. Они имеют специфическую крестообразную форму, и на вершине «креста» располагается антикодон, которым тРНК прикрепляется к кодону на иРНК. На противоположном полюсе молекулы тРНК располагается «акцепторный» (захватывающий) участок молекулы, к которому прикрепляется данная альфа-аминокислота. Разновидностей тРНК 64 потому, что существует 64 кодона альфа-аминокислот, с помощью которых кодируется полипептидная цепь молекулы белка, начало, завершение и паузы в синтезе белковой молекулы.
3. Рибосомальные РНК (рРНК) - это РНК, образующие рибосомы совместно с молекулами белка; рРНК наряду с другими РНК способствуют протеканию процессов биосинтеза белка, кроме этого они выполняют строительную функцию, являясь одним из веществ, из которых образованы рибосомы. Существует большое разнообразие молекул рРНК.
Отличия РНК от ДНК:
1) в состав ДНК входит тимин, а в состав РНК (вместо тимина) - урацил;
2) ДНК преимущественно содержится в ядре (но может находиться в митохондриях, пластидах, клеточном центре), а РНК - в ядре, цитоплазме, рибосомах;
3) в состав элементарных звеньев (остатков нуклеотидов) ДНК входит остаток дезоксирибозы, а в состав РНК-нуклеотидов - остаток рибозы (с чем и связаны различия в названии этих групп нуклеиновых кислот);
4) ДНК является продуктом реакции поликонденсации ДНК-нуклеотидов, а РНК - РНК-нуклеотидов;
5) степень поликонденсации (n) в ДНК значительно выше, чем в РНК;
6) молекула ДНК состоит из групп остатков нуклеотидов определенной последовательности, образующих «ген», который заключает в себе определенный признак организма и ведает его передачей потомкам, в РНК таких участков нет, т.е. РНК не является совокупностью «генов»;
7) ДНК - это единая группа соединений, имеющая бесконечно большое число разновидностей, а РНК делится на три группы соединений, из которых иРНК бесконечно много разновидностей, 64 разновидности тРНК и большое число разновидностей рРНК;
8) молекулы ДНК имеют очень сложную структуру, а структуры РНК проще (так, одна молекула ДНК состоит из четырех линейных цепей, а РНК - из одной и т.д.);
9) РНК и ДНК имеют различные функции в организме.
Синтез иРНК (транскрипция)
Синтез РНК, как и синтез ДНК относится к матричному синтезу. РНК синтезируется под воздействием ферментов на поверхности деспирализованной ДНК на отдельных ее участках. В качестве ферментов организм использует белки типа РНК-полимеразы. Синтез РНК начинается с процесса деспирализации соответствующего участка ДНК, на этом участке и происходит «сборка» (транскрипция) полинуклеотидной цепи РНК согласно принципу комплементарности. Синтез РНК - эндотермический процесс и на его осуществление затрачивается , выделяющаяся при расщеплении АТФ до АДФ и фосфорной кислоты.
- Электропитание устройства осуществляется от источника постоянного тока напряжением 75 В с отклонением от номинального значения до ± 15 В. Потребляемый ток - не более 0,6 А.
- Средняя наработка на отказ, не менее 15000 часов.
- Назначенный срок службы, не менее 10 лет.
- Габаритные размеры изделия, не более - 250х130х372 мм.
- Масса изделия, не более 10 кг.
Виды нуклеиновых кислот
Виды РНК: информационная (матричная)
Рибосомальная
Транспортная
Функции: И-РНК – передача информации
Р-РНК – основа рибосом. Способствует передвижению и-РНК по рибосоме.
Т-РНК – перенос аминокислот.
Структура нуклеопротеидов.
1. Первичная структура – это последовательность нуклеотидов, соединенных сложноэфирной связью. При изучении структуры Чаргафом установлены закономерности:
а. Количество А=Т, Ц=Г
б. Количество пуриновых оснований = количеству пиримидиновых А+Г=Ц+Т
2. Вторичная структура – трехмерная, пространственная структура, состоящая из антипараллельных противозакрученных спиралей. Шаг спирали содержит 10 нуклеотидов. Внутри цепочки находятся азотистые основания, соединенные по принципу комплиментарности.
Образуют вторичную структуру водородные связи, вандер-вальсовы связи, гидрофобные. ДНК имеет двуцепочную вторичную структуру, РНК – одноцепочную.
Изучена в Работах Уотсона и Крика.
3. Третичная структура – определенная укладка спирализованной структуры. М-ДНК имеет форму восьмерки. РНК – изучена мало.
4. Четверичная структура – фонкционально активная, соединена с белком.
В состав нуклеопротеидов входят белки гистонового ряда, которые соединяются с НК слабой электростатической связью.
Функции гистонов:
1) Участвуют в пространственном построении НК;
2) Регулируют активность генома – репрессия гена, с которым соединен гистон и ген будет молчать.
Гистоновые белки содержат лиз, арг, мало цис.
Негистоновые белки образуют с ДНК легко разрушаемые связи и это обеспечивает регуляцию активности генома.
В процессе жизни ДНК может подвергаться под действием химических соединений (кофеин) или радиоактивного излучения изменениям, т.е. мутациям.
Виды мутаций:
1. Транзиция – замена пуринового основания на другое пуриновое.
2. Трансверсия – замена пуринового основания на пиримидиновое.
3. Делеция – вставка пары нуклеотидов.
4. Вставка пары нуклеотидов.
Тяжелые последствия наблюдаются при вставке или выпадении нуклеотидов.
В случае делеции одного мономера изменяется считывание всех последующих кодонов – это мутация со «сдвигом рамки». В результате синтезируется белок с «бессмысленной» последовательностью аминокислот. При делеции двух мономеров также происходит сдвиг рамки.
При утрате трех мономеров (или число, кратное трем) сдвига рамки нет и синтезируется белок, укороченный на 1 аминокислоту.
Обмен нуклеотидов.о
Источники нуклеотидов
1. Поступление с пищей
НК в 12-перстной кишке под действием ДНК-азы и РНК-азы разщепляются за счет разрыва сложноэфирных связей, в результате образуются нуклеотиды, нуклеозиды, очень редко компоненты нуклеотидов. Внутриклеточно идет такой же распад НК.
2. Основное количество нуклеотидов идет de novo.
Соединения, участвующие в синтезе пурина
Глн + 2 АТФ + СО 2 карбамоилфосфат + асп
Рибоза и дезоксирибоза – синтезируются в пентозофосфатном цикле и поступают с пищей.
Катаболизм нуклеотидов.
РНК быстрее ДНК. Конечные продукты распада азотистых оснований – мочевина, мочевая кислота.
Ц, У, Т – конечный продукт мочевина.
Распад пуриновых оснований.
Подагра – избыток мочевой кислоты (ген. заболевание почек, алкоголь, отравления, мясная пища).
Мочевая кислота выпадает в осадок (соли К-ураты) мочекаменная болезнь. Откладывается в мелких суставах. Лечение основного заболевания + усиление выведения солей.
Нуклеиновые кислоты.
Хромосомы – очерченный материал 46 пар.
Если клетка находится в покое, то хромосомы называют хроматином.
Хроматин – 60% белка, 35 ДНК, остальное РНК. Представлен в виде нитей с узелками и утолщениями (нуклеосома).
У человека в спейсере – 50 пар нуклеотидов. Нуклеосома – 90%, спейсер – 10%.
Спейсер – это активный хроматин, списывание информации (транскрипция) идет с этих участков.
Нуклеосома – это белковый + нуклеотидный компонент. Сюда входят гистоны, имеют основной характер (арг, лиз), нет цис, мало три, много гли. Молекулярная масса – 25 – 30 тысяч дальтон.
Взаимодействуют гистоны с НК за счет электрохимических взаимодействий (гистон (+), НК (-)).
5 классов гистонов:
Н 1 – лизин
Н 2 b – лиз
Н 2 а – лиз = арг
Н 3 – арг , есть лиз, цис !!
Н 4 – арг , гли
Молекулярная масса всех классов одинакова.
Н 1 – находится в спектре. При взаимодействии образуется октамер.
Функциональные участки ДНК – это гены.
1. Структурные гены – ответственны за последовательность АМК и за последовательность нуклеотидов.
2. Регуляторные участки – промотор
3. Интроны – неинформативные участки – нетранскрибируемые участки.
Распад пиримидиновых оснований.
Распад пуриновых оснований.
Матричные биосинтезы.
I. Виды переноса генетической информации.
1. Перенос генетической информации в пределах одного класса нуклеиновых кислот, т.е. от ДНК к ДНК или у некоторых вирусов от РНК к РНК, называется репликацией или самоудвоением.
2. Перенос информации между разными классами нуклеиновых кислот: ДНК-РНК, называется транскрипцией или переписыванием.
Транскрипция бывает прямая от ДНК к РНК и обратная от РНК к ДНК. Обратная транскрипция выявлена у РНКовых опухолеродных вирусов.
3. Перенос генетической информации от м-РНК к белку, называется трансляцией или переводом.
Перенос генетической информации от ДНК через РНК к белку называется центральным постулатом генетики. Этот постулат был сформулирован Криком.
Репликация .
Возможны 3 типа репликации:
1. Консервативная – дочерняя двойная спираль ДНК образуется без разделения цепей родительской ДНК.
2. Полу консервативная – цепи родительской ДНК расходятся, и на каждой из родительских цепей образуются комплиментарные цепи дочерней ДНК.
3. Дисперсивная – происходит расщепление в нескольких местах цепей родительской ДНК и образование на ней новых цепей ДНК.
У высших организмов репликация ДНК происходит полуконсервативным путем.
Этапы биосинтеза ДНК.
Условно механизм синтеза делят на 3 этапа: инициацию, т.е. начало, элонгацию, т.е. продолжение, и терминацию, т.е. прекращение синтеза.
Первый этап – инициация – начало синтеза нуклеотидных цепей на матрице ДНК затравочного олигорибонуклеотида (праймера) со свободной гидроксильной группой у С-3’рибозы.
Второй этап – элонгация синтеза ДНК состоит из 2 стадий. На первой стадии идет репликация обеих материнских цепей ДНК, синтез одной идет непрерывно, а другой фрагментарно при помощи ДНК-полимеразы III. Вторая стадия включает связывание фрагментов друг с другом, здесь происходит отделение олигорибонуклеотидных праймеров. Процесс идет при помощи ДНК-лигаз.
Третий этап терминация синтеза ДНК наступает тогда, когда исчерпана ДНК-матрица.
Репарация ДНК - исправление поврежденных участков одной из цепей ДНК. Сначала такой участок удаляется ДНКазами. Затем при участии фрагмента ДНК-полимеразы I заполняется фрагмента ДНК-полимеразы I заполняется пробел путем синтеза участка в направлении 5’ 3’. Затем концы сшиваются ДНК-лигазой.
Механизм транскрипции ДНК
Субстратом реакции служат трифосфаты нуклеотидов.
Реакция идет только в присутствии ДНК, выполняющий роль матрицы (матрицей служит одна из цепей ДНК). Все синтезированные молекулы РНК имеют структуру, комплементарную матрице, т.е. одной цепи ДНК.
Транскрипция катализируется ферментом РНК-полимеразой. Фермент присоединяется к матрице в участке, который называется промотор. Связывание РНК-полимеразы с промотором приводит к локальному расхождению нуклеотидных цепей в этом в участке. Наращивание молекулы РНК происходит в результате перемещения РНК-полимеразы вдоль ДНК путем присоединения очередного рибонуклеотида.
В ДНК имеется участок, который содержит терминирующий кодон, достигнув которого РНК-полимераза и синтезированная РНК отделяются от ДНК.
Все типы РНК (рРНК, тРНК, мРНК) синтезируются сходным образом.
В результате транскрипции образуются предшественники РНК, которые в ядре подвергаются посттранскрипционной доработке, т.е. созреванию, процессингу.
Нуклеиновая кислота - высокомолекулярное органическое соединение, биополимер (полинуклеотид), образованный остаткаминуклеотидов. Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению, передаче и реализациинаследственной информации.
В природе существует два вида нуклеиновых кислот - дезок-сирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Различие в названиях объясняется тем, что молекула ДНК содержит пяти-углеродный сахар дезоксирибозу, а молекула РНК- рибозу. В настоящее время известно большое число разновидностей ДНК и РНК, отличающихся друг от друга по строению и значению в метаболизме.
ДНК находится преимущественно в хромосомах клеточного ядра (99% всей ДНК клетки), а также в митохондриях и хлоропластах. РНК входит в состав рибосом; молекулы РНК содержатся также в цитоплазме, матриксе пластид и митохондрий.
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Сахар - дезоксирибоза, азотистые основания: пуриновые - гуанин (G), аденин (A),пиримидиновые - тимин (T) и цитозин (C). ДНК часто состоит из двух полинуклеотидных цепей, направленных антипараллельно.
РНК (рибонуклеиновая кислота). Сахар - рибоза, азотистые основания: пуриновые - гуанин (G), аденин (A), пиримидиновыеурацил (U) и цитозин (C). Структура полинуклеотидной цепочки аналогична таковой в ДНК. Из-за особенностей рибозы молекулы РНК часто имеют различные вторичные и третичные структуры, образуя комплементарные участки между разными цепями.
2. Понятие об экосистемах. Цепи питания.
Экосистема, или экологическая система - биологическая система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними. Одно из основных понятийэкологии. Экологическая система представляет собой любую совокупность живых организмов и среды их обитания, взаимосвязанных обменом веществ, энеpгии, и информации, которую можно ограничить в пpостpанстве и во вpемени по значимым для конкpетного исследования пpинципам.
Цепь питания - пищевая цепь. Растения, животные, грибы, микроорганизмы, связанные между собой отношением пища-потребитель(органическое вещество-потребитель органического вещества. Пищевая цепь состоит примерно из 4-5 звеньев. Пищевая цепь состоит из продуцентов(производители органического вещества-растения автотрофы),консументов (потребители органического вещества) и редуцентов (бактерий, микроорганизмов разрушающих остатки органического вещества).
Примеры пищевых цепей:
1.злаковые - кузнечики - лягушки - змеи - ежи – коршун 2.отмершие растения и животные - бактерии - простейшие - рыбы- нутрии - камышовый кот 3.зеленая водоросль - рачок из рода Дафний - мелкая рыба - окунь - судак – человек 4.фитопланктон - зоопланктон - рыба питающаяся планктоном - хищная рыба - дельфин Самые длинные цепи питания образуются в океане, так - как там обитает большое разнообразие видов.
Билет №6
1. Углеводы и липиды, их функции в организме.
Липиды - обширная группа природных органических соединений, включающая жиры и жироподобные вещества. Молекулы простых липидов состоят из спирта и жирных кислот, сложных - из спирта, высокомолекулярных жирных кислот и других компонентов. Содержатся во всех живых клетках.Углеводы - органические вещества, содержащие карбонильную группу и несколько гидроксильных групп. В живых организмах углеводы выполняют различные функции, но основными являются энергетическая и строительная. Энергетическая функция состоит в том, что углеводы под влиянием ферментов легко расщепляются и окисляются с выделением энергии. При полном окислении 1 г углеводов высвобождается 17,6 кДж энергии. Конечные продукты окисления углеводов – углекислый газ и вода. Значительная роль углеводов в энергетическом балансе живых организмов связана с их способностью расщепляться как при наличии кислорода, так и без него. Это имеет важнейшее значение для живых организмов, живущих в условиях дефицита кислорода. Резервом глюкозы являются полисахариды (крахмал и гликоген) .
К нуклеиновым кислотам относят высокополимерные соединения, распадающиеся при гидролизе на пуриновые и пиримидиновые основания, пентозу и фосфорную кислоту. Нуклеиновые кислоты содержат углерод, водород, фосфор, кислород и азот. Различают два класса нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) .
Строение и функции 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).
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) и 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. 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 (редупликация) ДНК
— процесс самоудвоения, главное свойство молекулы ДНК. Репликация относится к категории реакций матричного синтеза, идет 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. Таким образом, в каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая — вновь синтезированной. Такой способ синтеза называется полуконсервативным .
«Строительным материалом» и источником энергии для репликации являются дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ), содержащие три остатка фосфорной кислоты. При включении дезоксирибонуклеозидтрифосфатов в полинуклеотидную цепь два концевых остатка фосфорной кислоты отщепляются, и освободившаяся энергия используется на образование фосфодиэфирной связи между нуклеотидами.
В репликации участвуют следующие ферменты:
- геликазы («расплетают» ДНК);
- дестабилизирующие белки;
- ДНК-топоизомеразы (разрезают ДНК);
- ДНК-полимеразы (подбирают дезоксирибонуклеозидтрифосфаты и комплементарно присоединяют их к матричной цепи ДНК);
- РНК-праймазы (образуют РНК-затравки, праймеры);
- ДНК-лигазы (сшивают фрагменты ДНК).
С помощью геликаз в определенных участках ДНК расплетается, одноцепочечные участки ДНК связываются дестабилизирующими белками, образуется репликационная вилка . При расхождении 10 пар нуклеотидов (один виток спирали) молекула ДНК должна совершить полный оборот вокруг своей оси. Чтобы предотвратить это вращение ДНК-топоизомераза разрезает одну цепь ДНК, что дает ей возможность вращаться вокруг второй цепи.
ДНК-полимераза может присоединять нуклеотид только к 3"-углероду дезоксирибозы предыдущего нуклеотида, поэтому данный фермент способен передвигаться по матричной ДНК только в одном направлении: от 3"-конца к 5"-концу этой матричной ДНК. Так как в материнской ДНК цепи антипараллельны, то на ее разных цепях сборка дочерних полинуклеотидных цепей происходит по-разному и в противоположных направлениях. На цепи 3"-5" синтез дочерней полинуклеотидной цепи идет без перерывов; эта дочерняя цепь будет называться лидирующей . На цепи 5"-3" — прерывисто, фрагментами (фрагменты Оказаки ), которые после завершения репликации ДНК-лигазами сшиваются в одну цепь; эта дочерняя цепь будет называться запаздывающей (отстающей ).
Особенностью ДНК-полимеразы является то, что она может начинать свою работу только с «затравки» (праймера ). Роль «затравок» выполняют короткие последовательности РНК, образуемые при участи фермента РНК-праймазы и спаренные с матричной ДНК. РНК-затравки после окончания сборки полинуклеотидных цепочек удаляются.
Репликация протекает сходно у прокариот и эукариот. Скорость синтеза ДНК у прокариот на порядок выше (1000 нуклеотидов в секунду), чем у эукариот (100 нуклеотидов в секунду). Репликация начинается одновременно в нескольких участках молекулы ДНК. Фрагмент ДНК от одной точки начала репликации до другой образует единицу репликации — репликон .
Репликация происходит перед делением клетки. Благодаря этой способности ДНК осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним.
Репарация («ремонт»)
Репарацией называется процесс устранения повреждений нуклеотидной последовательности ДНК. Осуществляется особыми ферментными системами клетки (ферменты репарации ). В процессе восстановления структуры ДНК можно выделить следующие этапы: 1) ДНК-репарирующие нуклеазы распознают и удаляют поврежденный участок, в результате чего в цепи ДНК образуется брешь; 2) ДНК-полимераза заполняет эту брешь, копируя информацию со второй («хорошей») цепи; 3) ДНК-лигаза «сшивает» нуклеотиды, завершая репарацию.
Наиболее изучены три механизма репарации: 1) фоторепарация, 2) эксцизная, или дорепликативная, репарация, 3) пострепликативная репарация.
Изменения структуры ДНК происходят в клетке постоянно под действием реакционно-способных метаболитов, ультрафиолетового излучения, тяжелых металлов и их солей и др. Поэтому дефекты систем репарации повышают скорость мутационных процессов, являются причиной наследственных заболеваний (пигментная ксеродерма, прогерия и др.).
Строение и функции 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 трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 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; молекулярная масса — 25 000-30 000. На долю тРНК приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке. Функции тРНК: 1) транспорт аминокислот к месту синтеза белка, к рибосомам, 2) трансляционный посредник. В клетке встречается около 40 видов тРНК, каждый из них имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов. Однако у всех тРНК имеется несколько внутримолекулярных комплементарных участков, из-за которых тРНК приобретают конформацию, напоминающую по форме лист клевера. У любой тРНК есть петля для контакта с рибосомой (1), антикодоновая петля (2), петля для контакта с ферментом (3), акцепторный стебель (4), антикодон (5). Аминокислота присоединяется к 3"-концу акцепторного стебля. Антикодон — три нуклеотида, «опознающие» кодон иРНК. Следует подчеркнуть, что конкретная тРНК может транспортировать строго определенную аминокислоту, соответствующую ее антикодону. Специфичность соединения аминокислоты и тРНК достигается благодаря свойствам фермента аминоацил-тРНК-синтетаза.
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
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: 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.
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. Кроме этого, АТФ наряду с другими рибонуклеозидтрифосфатами (ГТФ, ЦТФ, УТФ) является субстратом для синтеза РНК.
Перейти к лекции №3 «Строение и функции белков. Ферменты»
Перейти к лекции №5 «Клеточная теория. Типы клеточной организации»