Лекция № 4. строение и функции нуклеиновых кислот атф

Структура молекулы ДНК

Молекула ДНК – это биополимер, в составе которого основным мономером или структурной единицей является нуклеотид. Входят в состав нуклеотидов следующие компоненты: остаток фосфорной кислоты соединяется с пятиуглеродным сахаром – дезоксирибозой и встраивается в азотистое основание. Между собой мономеры объединяются в длинные цепи, образуя в конечном итоге двойные спирали.

Соединение спиралей друг с другом происходит посредством водородных связей. Аденин соединяется с тимином двумя, а цитозин с гуанином – тремя водородными связями. Азотистое основание, сахар и фосфатная группа входят в состав нуклеотидов обязательно.

Ширина молекулы колеблется от 2.2 до 2.4 нм, а длина каждого мономера в цепочке равна 0.33 нм.

Каждая цепочка дезоксирибонуклеиновой кислоты имеет определенную направленность. Две цепи, расположенные в противоположном направлении, называются антипараллельными.

Благодаря принципу комплементарности вся информация, находящаяся в одной цепи, дублируется и в другой. Соединение аденина и гуанина – это пуриновые основания, а тимина с цитозином – пиримидиновые. При этом необходимо знать, что в молекуле ДНК число пуриновых оснований всегда равно числу пиримидиновых.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК): строение

Роль хранителя наследственной информации у всех клеток — животных и растительных — принадлежит ДНК.

Схема строения ДНК изображена на рисунке 74. Молекула ДНК представляет собой две спирально закрученные одна вокруг другой нити.

Ширина такой двойной спирали ДНК невелика, около 2 нм. Длина же ее в десятки тысяч раз больше — она достигает сотен тысяч нанометров.

Между тем самые крупные белковые молекулы в развернутом виде достигают в длину не более 100 — 200 нм.

Таким образом, вдоль молекулы ДНК могут быть уложены одна за другой тысячи белковых молекул.

Молекулярная масса ДНК соответственно исключительно велика — она достигает десятков и даже сотен миллионов.

Обратимся к структуре ДНК. Каждая нить ДНК представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды.

Нуклеотид — это химическое соединение остатков трех веществ: азотистого основания, углевода (моносахарида — дезоксирибозы) и фосфорной кислоты.

ДНК всего органического мира образованы соединением четырех видов нуклеотидов. Их структуры приведены на рисунке рисунке 75.

Как видно, у всех четырех нуклеотидов углевод и фосфорная кислота одинаковы.

Нуклеотиды отличаются только по азотистым основаниям, в соответствии с которыми их называют; нуклеотид с азотистым основанием аденин (сокращенно А), нуклеотид с гуанином (Г), нуклеотид с тимином (Т) и нуклеотид с цитозином (Ц).

По размерам А равен Г, а Т равен Ц; размеры А и Г несколько больше, чем Т и Ц.

Соединение нуклеотидов в нити ДНК происходит через углевод одного нуклеотида и фосфорную кислоту соседнего. Они соединяются прочной ковалентной связью — рисунок 76.

Итак, каждая нить ДНК представляет собой полинуклеотид. Это длинная цепь, в которой в строго определенном порядке расположены нуклеотиды.

Рассмотрим теперь, как располагаются относительно друг друга нити ДНК, когда образуется двойная спираль, и какие силы удерживают их рядом.

Представление об этом дает рисунок рисунок 77, на котором изображен небольшой участок двойной спирали.

Как видно, азотистые основания одной цепи «стыкуются» с азотистыми основаниями другой. Основания подходят друг к другу настолько близко, что между ними возникают водородные связи.

В расположении стыкующихся нуклеотидов имеется важная закономерность, а именно: против А одной цепи всегда оказывается Т на другой цепи, а против Г одной цепи — всегда Ц.

Оказывается, что только при таком сочетании нуклеотидов обеспечивается, во-первых, одинаковое по всей длине двойной спирали расстояние между цепями и, во-вторых, образование между противолежащими основаниями максимального числа водородных связей (три водородные связи между Г и Ц и две водородные связи между А и Т).

В каждом из этих сочетаний оба нуклеотида как бы дополняют друг друга. Слово «дополнение» на латинском языке «комплемент». Принято поэтому говорить, что Г является комплементарным Ц, а Т комплементарен А.

Если на каком-нибудь участке одной цепи ДНК один за другим следуют нуклеотиды А, Г, Ц, Т, А, Ц, Ц, то на противолежащем участке другой цепи окажутся комплементарные им Т, Ц, Г, А, Т, Г, Г.

Таким образом, если известен порядок следования нуклеотидов в одной цепи, то по принципу комплементарности сразу же выясняется порядок нуклеотидов в другой цепи.

Большое число водородных связей обеспечивает прочное соединение нитей ДНК, что придает молекуле устойчивость и в то же время сохраняет ее подвижность: под влиянием фермента дезоксирибонуклеазы она легко раскручивается.

ДНК содержится в ядре клетки, а также в митохондриях и хлоропластах.

В ядре ДНК входит в состав хромосом, где она находится в соединении с белками.

Примеры нуклеиновых кислот

Наиболее распространенными нуклеиновыми кислотами в природе являются ДНК и РНК. Эти молекулы составляют основу для большей части жизни на Земле, и они хранят информацию, необходимую для создания белков, которые, в свою очередь, выполняют функции, необходимые для выживания и размножения клеток. Однако ДНК и РНК не единственные нуклеиновые кислоты. Тем не менее, искусственные нуклеиновые кислоты также были созданы. Эти молекулы функционируют так же, как природные нуклеиновые кислоты, но они могут выполнять аналогичную функцию. На самом деле, ученые используют эти молекулы для создания основы «искусственной формы жизни», которая может поддерживать искусственную нуклеиновую кислоту и извлекать из нее информацию для создания новых белков и выживания.

Вообще говоря, сами нуклеиновые кислоты различаются в каждом организм на основе последовательности нуклеотидов в нуклеиновой кислоте. Эта последовательность «читается» клеточным аппаратом для подключения аминокислоты в правильной последовательности, построение сложных белковых молекул со специфическими функциями.

Типы РНК

Науке известно три типа рибонуклеиновой кислоты. Транспортная РНК образуется на ДНК, а потом передвигается в цитоплазму. Самыми маленькими по размерам являются именно эти молекулы. Они присоединяют аминокислоты, являющиеся мономерами белка, после чего транспортируют их к месту сборки макромолекул. Пространственная структура транспортной РНК по форме похожа на лист клевера. Следующий вид данной нуклеиновой кислоты выполняет функцию передачи сведений о структуре будущего белка из ядра клеток к специализированным структурам. Ими являются рибосомы. Эти специализированные органеллы располагаются на поверхности эндоплазматической сети. А разновидность РНК, выполняющих эту функцию, называется информационной.

Существует и третья группа — это рибосомальные РНК, расположенные на участках соответствующих органелл. Они способны формировать пространственное расположение необходимых молекул во время формирования белковых молекул. Но в целом все три вида данных макромолекул взаимодействуют между собой, выполняя единую функцию.

Молекула РНК

Молекулы РНК клеток прокариот и эукариот состоят из одной цепи. Существуют три основных типа РНК, которые различаются местоположением в клетке, структурой и функциями в биосинтезе белка. Информационная, или матричная, РНК (иРНК, или мРНК) переносит наследственную информацию от ДНК к месту синтеза полипептидной цепи. Транспортная РНК (тРНК), которая из всех молекул РНК имеет наименьшие размеры (состоит из 70-90 нуклеотидов), транспортирует аминокислоты к месту синтеза белковых молекул. Рибосомная РНК (рРНК) входит в состав особых органических клеток — рибосом, которые обеспечивают синтез белковой молекулы. Бывают и другие типы РНК.

Ядерная ДНК сохраняется в ядре, там же синтезируются молекулы РНК. Далее РНК транспортируются из ядра клетки в цитоплазму, где синтезируются белки. Приводим сравнительную таблицу двух типов нуклеиновых кислот.

Особенности строения и локализация в клетке	ДНК	РНК
Количество цепей	2	1
Нуклеотидный состав полимера (название нуклеотида предоставляется по названию азотсодержащих основы)	(А) Адениловый (Г) Гуаниловый (Т) тимидиловый (Ц) Цитидиловый	(А) Адениловый (Г) Гуаниловый (У) Урациловый (Ц) Цитидиловый
Вещества, образующие нуклеотид	Азотсодержащая основа Ортофосфорная кислота Углевод — дезоксирибоза	Азотсодержащая основа Ортофосфорная кислота Углевод — рибоза
Локализация в эукариотической клетке	Ядро, Хлоропласты, Митохондрии	Ядро, Цитоплазма, Рибосомы, Хлоропласты, Митохондрии

Нуклеиновые кислоты – полимерные молекулы

Нуклеиновые кислоты — самые крупные нерегулярные полимерные органические молекулы, носящие название полинуклеотидов. Обычно ДНК намного крупнее РНК. Их мономерами являются нуклеотиды (нуклеозиды, дезоксинуклеозиды и др.). Каждый из них состоит из трёх компонентов:

• пентозы, или пятиуглеродного сахара (рибоза в РНК и дезоксирибоза в ДНК);
• фосфатной группы – остатка фосфорной кислоты (—PO 4 -);
• азотистого основания.

Строение нуклеотида

Азотистые основания — это ароматические гетероциклические соединения, производные пиримидина или пурина. Нуклеотиды имеют пять основных типов азотистых оснований. Двухкольцевые пуриновые: аденин (Аde) и гуанин (Gua). Каждое из них содержится как в ДНК, так и в РНК. Остальные три основания представляют собой однокольцовые молекулы, производные пиримидина: цитозин (Cyt — есть как в ДНК, так и в РНК), тимин (Thy — только в ДНК), урацил (Ura — только в РНК).

Аденин и рибоза образуют нуклеозид аденозин (A), производные других азотистых оснований носят названия: гуанозин (G, Г), уридин (U, У), тимидин (Т), цитидин (C, Ц). При соединении азотистых оснований с дезоксирибозой образуются дезоксинуклеозиды. Все нуклеозидфосфаты объединяют под общим названием — нуклеотиды.

Строение пурина и пуриновых азотистых основанийСтроение пиримидина и пиримидиновых азотистых оснований

Нуклеиновые кислоты образуются путём реакции обезвоживания (конденсации, или дегидрации) между фосфатной группой одного нуклеотида и гидроксильной группой пентозы другого нуклеотида. Так получается фосфодиэфирная связь, объединяющая два углевода через фосфат.

В молекуле нуклеотида азотистое основание присоединено к первому атому углерода пентозы, а остаток фосфорной кислоты — к пятому. Получающаяся полинуклеотидная цепь полярна, она имеет два конца:

• 5′ (пять-штрих положение) — углеродный атом в пятичленном моносахариде — рибозе или дезоксирибозе;
• 3´ (три-штрих положение) — гидроксильная группа, взятая от углевода (ОН).

Эти концы в двойной спирали ДНК соединяются через фосфатную группу по типу голова-хвост (3′ к 5′) по принципу комплементарности, азотистыми основаниями внутрь спирали. Такая ориентация цепей называется антипараллельной.

Что такое ДНК?

ДНК расшифровывается как дезоксирибонуклеиновая кислота. Она представляет собой одну из трех макромолекул клетки (две другие – белки и рибонуклеиновая кислота). Кислота обеспечивает сохранение и передачу генетического кода развития и деятельности организмов. Простыми словами, ДНК – носитель генетической информации.

В ее составе содержится генотип индивида, который обладает способностью к самовоспроизводству и передает информацию по наследству.

Как химическое вещество кислота была выделена из клеток еще в 1860-х годах. Однако вплоть до середины XX столетия никто и не предполагал, что она способна хранить и передавать информацию.

Долгое время считалось, что эти функции выполняют белки, однако в 1953 году группа биологов сумела значительно расширить понимание сути молекулы и доказать первостепенную роль ДНК в сохранении и передаче генотипа. Находка стала открытием века, а ученые получили за свою работу Нобелевскую премию.

Репликация

Клеточное деление происходит непрерывно. Но перед делением клетки копируют свои ДНК, чтобы обе дочерние клетки имели точно такое же количество ДНК, что и родительская. Этот процесс — репликация ДНК — включает раскручивание «лестницы» ДНК и разделение по центру каждой её «поперечины» — аналогично расстёгиванию застёжки-молнии. После этого каждая половинка может образовывать пару с комплементарными основаниями, присутствующими в протоплазме клетки в виде свободно плавающих нуклеотидов. Пары оснований соединяются, как указано выше (А с Т и Г с Ц), формируя две идентичные двойные спирали, наполовину состоящие из старой и наполовину — из новой ДНК.

Следуя инструкциям, закодированным последовательностью пар оснований на молекуле ДНК, клетки создают белки, состоящие из длинных цепочек аминокислот — полипептид, образующих сложные трёхмерные структуры. Определённые последовательности пар оснований действуют как коды для простых молекул, называемых аминокислотами.

Организм человека содержит около 20 аминокислот. Три пары оснований составляют кодон, представляющий разные аминокислоты. Поскольку имеется четыре вида связанных друг с другом оснований, число кодонов составляет 4х4х4 = 64. Аминокислоты кодируются 61 из 64 кодонов. То есть кодонов больше, чем требуется для имеющихся аминокислот, хотя все они задействованы. Одни аминокислоты (например, метионин) представлены единственным кодоном — последовательностью основания тимин-аденин-цитозин (ТАЦ). Другие — несколькими (максимум шестью) кодонами. Так, аминокислоте аргинин соответствуют кодоны ГЦА, ГЦГ, ГЦТ, ГЦЦ, ТЦТ и ТЦЦ. Три оставшихся кодона (АТТ, АТЦ и АЦТ) означают конец белковой цепочки.

Мономер нуклеиновых кислот

Нуклеотиды являются отдельными мономерами нуклеиновой кислоты. Эти молекулы довольно сложные, состоящие из азотистая основа плюс сахарно-фосфатный «костяк». Есть четыре основных типа нуклеотидов, аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (Т).

Когда наши клетки соединяют нуклеотиды вместе, образуя полимеры, называемые нуклеиновыми кислотами, они связывают их, заменяя молекулу кислорода в 3 ‘сахаре одного нуклеотид Основа с молекулой кислорода 5′-сахара другого нуклеотида.

Это возможно, потому что химические свойства нуклеотидов позволяют 5′-углеродам связываться с несколькими фосфатами. Эти фосфаты являются привлекательными связывающими партнерами для 3′-молекулы кислорода 3′-кислорода другого нуклеотида, так что молекула кислорода сразу же связывается с фосфатами и заменяется кислородом 5′-сахара. Два нуклеотидных мономера затем полностью связаны с Ковалентная связь через эту молекулу кислорода, превращая их в одну молекулу.

Нуклеотиды – это мономеры нуклеиновых кислот, но так же, как нуклеиновые кислоты могут служить не только для передачи информации, но и для других целей, нуклеотиды могут.

Молекулы, несущие жизненную энергию, ATP и GTP, состоят из нуклеотидов – нуклеотидов «A» и «G», как вы могли догадаться.

В дополнение к переносу энергии, GTP также играет жизненно важную роль в G-белке клеточная сигнализация пути. Термин «G-белок» на самом деле происходит от «G» в «GTP» – того же самого G, который содержится в генетическом коде.

G-белки представляют собой особый тип белка, который может вызывать сигнальные каскады с важными и сложными последствиями в клетке. Когда GTP фосфорилируется, эти G-белки могут быть включены или выключены.

Структура ДНК

Уотсон и Крик продемонстрировали, что по своей форме молекула ДНК напоминает винтовую лестницу, образующую двойную спираль. Каждая боковина «лестницы» состоит из многочисленных молекул сахара (дезоксирибозы), соединённых группами фосфатов. Эта сахарофосфатная цепь играет роль «кирпичика» в молекуле ДНК. «Перекладины» разделены надвое, при этом каждую половинку представляет один из четырёх химических элементов, называемых основаниями: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) или тимин (Т). Основания прочно крепятся к боковинам, но очень слабо — к середине перекладин.

Соединения аденин и гуанин имеют два кольца и относятся к пуринам, имеющим отношение к мочевой кислоте (они присутствуют в моче). Цитозин и тимин — однокольцевые соединения, называемые пиримидинами (некоторые витамины группы В имеют структуру пиримидинов). Аденин всегда объединяется в пары с тимином, а гуанин — с цитозином, формируя полные поперечины лестницы ДНК. Вместе с сахарофосфатным «каркасом» каждая пара образует нуклеотид — основную единицу ДНК.

Указанные четыре основания — важнейшая часть молекулы ДНК, так как они содержат генетический код каждой клетки. Комбинации оснований определяют время формирования различных белков и задают функции клеток организма.

Хромосомы

На этой фотографии с усиленной расцветкой показаны хромосомы человека, состоящие из цепочек ДНК и белков (изображение увеличено примерно в 4000 раз). Эти нитевидные структуры присутствуют в каждой клетке человеческого организма

Хромосомы представляют собой длинные цепочки ДНК и белков, которые, соединяясь, образуют хроматин. ДНК плотно сжата в ядре клетки, а связующие белки (гистоны) образуют структуру, известную как нуклеосома. Нуклеосомы соединяются дополнительными цепями ДНК — так называемыми связующими ДНК. Хромосомы постоянно присутствуют в ядре, но обнаруживаются только в процессе деления клетки.

Функция нуклеиновых кислот

Информация о магазине нуклеиновых кислот, как компьютерный код

Безусловно, наиболее важной функцией нуклеиновых кислот для живых организмов является их роль носителя информации. Поскольку нуклеиновые кислоты могут быть созданы с четырьмя «основаниями» и поскольку «правила спаривания оснований» позволяют «копировать» информацию, используя одну цепь нуклеиновых кислот в качестве шаблона для создания другой, эти молекулы способны как содержать, так и копировать информацию

Поскольку нуклеиновые кислоты могут быть созданы с четырьмя «основаниями» и поскольку «правила спаривания оснований» позволяют «копировать» информацию, используя одну цепь нуклеиновых кислот в качестве шаблона для создания другой, эти молекулы способны как содержать, так и копировать информацию.

Чтобы понять этот процесс, может быть полезно сравнить код ДНК с двоичным кодом, используемым компьютерами. Два кода очень разные по своей специфике, но принцип один и тот же. Так же, как ваш компьютер может создавать целые виртуальные реальности, просто считывая строки 1 и 0, клетки могут создавать целые живые организмы, считывая строки из четырех пар оснований ДНК.

Как вы можете себе представить, без бинарного кода у вас не было бы компьютера и компьютерных программ. Точно так же живые организмы нуждаются в неповрежденных копиях своего «исходного кода» ДНК, чтобы функционировать.

Параллели между генетический код и двоичный код даже побудил некоторых ученых предложить создание «генетических компьютеров», которые могли бы хранить информацию гораздо более эффективно, чем жесткие диски на основе кремния. Однако, поскольку наша способность записывать информацию о кремнии возросла, мало внимания уделялось исследованиям «генетических компьютеров».

Защита информации

Поскольку исходный код ДНК так же важен для клетка поскольку ваша операционная система находится на вашем компьютере, ДНК должна быть защищена от возможного повреждения. Чтобы транспортировать инструкции ДНК в другие части клетки, копии ее информации делаются с использованием другого типа нуклеиновой кислоты – РНК.

Это РНК-копии генетической информации, которые отправляются из ядра и вокруг клетки для использования в качестве инструкций клеточным механизмом.

Клетки также используют нуклеиновые кислоты для других целей. Рибосомы – клеточные машины, которые производят белок – и некоторые ферменты сделаны из РНК.

ДНК использует РНК как своего рода защитный механизм, отделяющий ДНК от хаотической среды цитоплазма, Внутри ядра ДНК защищена. За пределами ядра движения органелл, везикул и других клеточных компонентов могут легко повредить длинные и сложные нити ДНК.

Тот факт, что РНК может действовать как в качестве наследственного материала, так и в качестве фермента, подтверждает идею о том, что самой первой жизнью могла быть самореплицирующаяся, самокатализирующаяся молекула РНК.

История исследования

В 1847 из экстракта мышц быка было выделено вещество, которое получило название «инозиновая кислота». Это соединение стало первым изученным нуклеотидом. В течение последующих десятилетий были установлены детали его химического строения. В частности, было показано, что инозиновая кислота является рибозид-5′-фосфатом, и содержит N-гликозидную связь.
В 1868 году швейцарским химиком Фридрихом Мишером при изучении некоторых биологических субстанций было открыто неизвестное ранее вещество. Вещество содержало фосфор и не разлагалось под действием протеолитических ферментов. Также оно обладало выраженными кислотными свойствами. Вещество было названо «нуклеином»

Соединению была приписана брутто-формула C29H49N9O22P3.
Уилсон обратил внимание на практическую идентичность химического состава «нуклеина» и открытого незадолго до этого «хроматина» — главного компонента хромосом. Было выдвинуто предположение об особой роли «нуклеина» в передаче наследственной информации.
В 1889 г Рихард Альтман ввел термин «нуклеиновая кислота», а также разработал удобный способ получения нуклеиновых кислот, не содержащих белковых примесей.
Левин и Жакоб, изучая продукты щелочного гидролиза нуклеиновых кислот, выделили их основные составляющие — нуклеотиды и нуклеозиды, а также предложили адекватные структурные формулы, описывающие их свойства.
В 1921 году Левин выдвинул гипотезу «тетрануклеотидной структуры ДНК», оказавшуюся впоследствии ошибочной.
В 1935 году Клейн и Танхаузер с помощью фермента фосфатазы провели мягкое фрагментирование ДНК, в результате чего были получены в кристаллическом состоянии четыре ДНК-образующих нуклеотида. Это открыло новые возможности для установления структуры этих соединений.
В 1940-е годы научная группа в Кембридже под руководством Александера Тодда проводит широкие синтетические исследования в области химии нуклеотидов и нуклеозидов

В результате их работы были установлены все детали химического строения и стереохимии нуклеотидов. За цикл работ в этой области Александер Тодд был награждён Нобелевской премией в области химии в 1957 году.
В 1951 году Чаргаффом была установлена закономерность содержания в нуклеиновых кислотах нуклеотидов разных типов, получившая впоследствии название Правило Чаргаффа.
В 1953 году Уотсоном и Криком установлена вторичная структура ДНК, двойная спираль.

Это открыло новые возможности для установления структуры этих соединений.
В 1940-е годы научная группа в Кембридже под руководством Александера Тодда проводит широкие синтетические исследования в области химии нуклеотидов и нуклеозидов. В результате их работы были установлены все детали химического строения и стереохимии нуклеотидов. За цикл работ в этой области Александер Тодд был награждён Нобелевской премией в области химии в 1957 году.
В 1951 году Чаргаффом была установлена закономерность содержания в нуклеиновых кислотах нуклеотидов разных типов, получившая впоследствии название Правило Чаргаффа.
В 1953 году Уотсоном и Криком установлена вторичная структура ДНК, двойная спираль.

Сравнительная таблица

Сравнительная таблица ДНК с РНК

	ДНК	РНК
Стенды для	Дезоксирибонуклеиновая кислота.	Рибонуклеиновая кислота.
Определение	Нуклеиновая кислота, которая содержит генетические инструкции, используемые в развитии и функционировании всех современных живых организмов. Гены ДНК экспрессируются или проявляются через белки, которые ее нуклеотиды продуцируют с помощью РНК.	Информация, найденная в ДНК, определяет, какие признаки должны быть созданы, активированы или деактивированы, в то время как различные формы РНК выполняют свою работу.
функция	План биологических принципов, которым должен следовать живой организм, чтобы существовать и оставаться функциональными. Среда долгосрочного, стабильного хранения и передачи генетической информации.	Помогает выполнять руководящие принципы ДНК. Передает генетический код, необходимый для создания белков из ядра в рибосому.
Структура	Двухцепочечный. Он имеет две нуклеотидные цепи, которые состоят из его фосфатной группы, пятиуглеродного сахара (стабильная 2-дезоксирибоза) и четырех азотсодержащих нуклеобаз: аденин, тимин, цитозин и гуанин.	Однонитевый. Как и ДНК, РНК состоит из ее фосфатной группы, пятиуглеродного сахара (менее стабильной рибозы) и 4 азотсодержащих нуклеиновых оснований: аденина, урацила (не тимина), гуанина и цитозина.
Базовое сопряжение	Аденин связывается с тимином (AT) и цитозин связывается с гуанином (CG).	Аденин связывается с урацилом (AU) и цитозин связывается с гуанином (CG).
Место нахождения	ДНК находится в ядре клетки и в митохондриях.	В зависимости от типа РНК эта молекула находится в ядре клетки, ее цитоплазме и рибосоме.
стабильность	Дезоксирибозный сахар в ДНК менее реактивен из-за связей СН. Стабильно в щелочных условиях. ДНК имеет меньшие бороздки, что затрудняет «атаку» ферментов.	Рибозный сахар более реактивен из-за С-ОН (гидроксильных) связей. Не устойчив в щелочных условиях. РНК имеет более крупные бороздки, что облегчает «атаку» ферментов.
распространения	ДНК самовоспроизводится.	РНК синтезируется из ДНК при необходимости.
Уникальные черты	Спиральная геометрия ДНК имеет B-форму. ДНК защищена в ядре, так как она плотно упакована. ДНК может быть повреждена воздействием ультрафиолетовых лучей.	Спиральная геометрия РНК имеет A-форму. Нити РНК постоянно делаются, ломаются и используются повторно. РНК более устойчива к повреждениям ультрафиолетовыми лучами.

Основные понятия

Нуклеиновые кислоты — фосфорсодержащие биополимеры, построенные из мономеров — нуклеотидов и обеспечивающие хранение и передачу наследственной (генетической) информации в живых организмах.

■ Открыты Ф. Мишером (1869 г., Швейцария).

* В молекулах нуклеиновых кислот содержится от 80 до нескольких сот миллионов нуклеотидов.

■ Нуклеиновые кислоты содержатся в ядрах, митохондриях и пластидах клеток.

Нуклеотид — органическое соединение, в состав которого входят: одно из пяти азотистых оснований (аденин, гуанин, урацил, тмин, цитозин), пятиуглеродный моносахарид (рибоза или дезокснрибоза) и остаток молекулы фосфорной кислоты (РO₄).

• Название и обозначение нуклеотидов: нуклеотид называется по имени своего азотистого основания и обозначается первой заглавной буквой его названия (пример: А — адениновый нуклеотид).

Комплементарные нуклеотиды — это пары нуклеотидов А и Т, а также Г и Ц, между азотистыми основаниями которых могут образовываться водородные связи.

В зависимости от того, какой сахар входит в состав нуклеотидов, нуклеиновые кислоты подразделяются на дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК).

ДНК

Рибонуклеиновая кислота (РНК)

Состав РНК:

■ пятиуглеродный сахар рибоза,

■ азотистые основания (аденин, гуанин, урацил, цитозин),

■ остаток фосфорной кислоты.

Структура РНК (см. рис. 1.3):

■ молекула РНК состоит из одной полинуклеотидной цепочки;

■ нуклеотиды в каждой цепочке РНК связаны друг с другом ковалентными фосфодиэфирными связями;

■ кроме того, между соседними нуклеотидами цепочки могут образовываться водородные связи;

* цепочки РНК значительно короче молекул ДНК, имеют меньшую молярную массу.

Виды РНК:

■ информационная РНК (и-РНК),

■ транспортная РНК (т-РНК),

■ рибосомальная РНК (р-РНК).

Информационная РНК (составляет 7 — рибозофосфатная основа около 5% от всех РНК клетки):

■ структура: незамкнутая цепь, содержащая от 300 до 30000 нуклеотидов; является комплементарной копией определенного участка ДНК (гена);

* функции: каждая специфическая молекула и-РНК переносит информацию о структуре определенного белка от ДНК в рибосомы (место сборки молекул белков) и является матрицей для синтеза молекул этого белка.

Транспортная РНК (составляет до 15% от всех РНК клетки):

■ структура: содержит 75-85 нуклеотидов; молекула т-РНК имеет вторичную структуру в форме «клеверного листа» (из-за наличия водородных связей) и два активных участка: антикодонтриплет нуклеотидов на верхушке «клеверного листа», и акцепторный конец, к которому присоединяются аминокислоты;

■ функция т-РНК — транспорт аминокислот в рибосому к месту сборки молекул белка.

❖ Рибосомальная РНК (составляет до 85% от всех РНК клетки):

■ место синтеза: молекулы р-РНК синтезируются в ядре клетки;

■ локализация: в комплексе с белками образует рибосомы — ор-ганеллы, на которых происходит синтез белка;

■ функция р-РНК — обеспечение нужного пространственного взаимного расположения и-РНК и т-РНК в рибосоме.

Таблица: различия ДНК и РНК

Признак	Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)	Рибонуклеиновая кислота (РНК)
Нахождение в клетке	Эукариоты – митохондрии, ядро, хлоропласты Прокариоты – внутренняя часть клетки	Эукариоты – цитоплазмы, ядро, рибосомы, митохондрии, хлоропласты
Нахождение в ядре	Ядро	Ядрышко
Строение молекулы	Двойной линейный полимер, закрученный спиралью	Одинарная цепь
Мономер	Дезоксирибонуклеин	Рибонуклеин
Состав нуклеотидов	Пятиуглеродный сахар (дезоксирибоза), азотистые основания (гуанин, цитозин, аденин, тимин), остаток фосфорной кислоты	Пятиуглеродный сахар (рибоза), азотистые основания (гуанин, цитозин, аденин, урацил), остаток фосфорной кислоты
Типы нуклеотидов	Аденин (A), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т)	Аденин (A), гуанин (Г), цитозин (Ц), урацил (У)
Свойства	Есть возможность самоудвоения, стабильность	Нет возможности самоудвоения, лабильность
Основные функции	Хранение информации, передачу генетической программы от родителей к потомству	Транспортная функция заключается в передаче наследственной информации, информационная функция

ДНК и РНК имеют схожие черты строения, обе молекулы относятся к нуклеиновым кислотам, но имеют несколько разные функции. РНК в первую очередь занимается транспортировкой информации, которая уже записана в ДНК. Помимо этого, ДНК – это двойная цепь, а РНК одинарная.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — органическое вещество, выполняющее роль аккумулятора энергии в клетке в виде макроэргических связей.

❖ Состав молекул АТФ:

■ пятиуглеродный сахар рибоза,

• азотистое основание аденин,

• три остатка молекул фосфорной кислоты.

❖ Энергетика химических связей:

■ между остатками молекул фосфорной кислоты существуют макроэргические связи; при разрыве одной такой связи в результате гидролитического (под воздействием молекулы воды) отщепления выделяетс)( 40 кДж энергии;

■ аккумуляция энергии в вышеуказанных связях происходит в процессе синтеза АТФ за счет энергии, освобождающейся при окислении органических веществ (окислительное фосфорилирование).

❖ Некоторые особенности АТФ:

■ АТФ синтезируется в гиалоплазме, митохондриях и хлоропла-стах (у растений в процессе фотосийтеза);

■ среднее время жизни молекулы АТФ в клетке — менее 1 мин.

❖ Значение АТФ: это — главный и универсальный источник энергии для всех процессов жизнедеятельности в клетке.

биологияклетки

Нуклеиновые Кислоты и Генетика

Генетический код

Сегодня ученые знают, что исходный код для клеток в буквальном смысле написан на нуклеиновых кислотах. Генная инженерия изменяет свойства организмов, добавляя, удаляя или переписывая части их ДНК – и впоследствии изменяя то, какие «части» производят клетки.

Достаточно квалифицированный генетический «программист» может создать инструкции для живой клетки с нуля, используя код нуклеиновой кислоты. Ученые сделали именно это в 2010 году, используя искусственный синтезатор ДНК, чтобы «писать» геном с нуля, используя кусочки исходного кода, взятые из других клеток.

Все живые клетки на Земле «читают» и «пишут» свои исходные коды практически на одном и том же «языке», используя нуклеиновые кислоты. Наборы из трех нуклеотидов, называемые кодонами, могут кодировать любую данную аминокислоту или для остановки или начало белка производство.

Другие свойства нуклеиновых кислот могут влиять на экспрессию ДНК более тонкими способами, такими как слипание и затруднение для транскрипция ферменты для доступа к коду, который они хранят.

Тот факт, что все живые клетки на Земле «говорят» почти на одном и том же генетическом «языке», поддерживает идею универсального общего предка, то есть идею, что вся жизнь на Земле сегодня началась с одной первичной клетки, чьи потомки эволюционировали, чтобы породить для всей современной жизни вид.

С химической точки зрения, нуклеотиды, которые связаны вместе для создания нуклеиновых кислот, состоят из пятиуглеродного сахара, фосфатная группа и азотсодержащее основание. Изображение ниже показывает структурные чертежи четырех азотистых оснований ДНК и четырех РНК, используемых живыми существами на Земле в своих нуклеиновых кислотах.

Это также показывает, как сахарно-фосфатные «скелеты» связываются под углом, который создает спираль – или двойная спираль в случае ДНК – когда несколько нуклеиновых кислот связаны вместе в одну молекулу:

Поскольку нуклеиновые кислоты могут быть получены естественным путем путем взаимодействия неорганических ингредиентов, и поскольку они, возможно, являются наиболее важным компонентом для жизни на Земле, некоторые ученые считают, что самая первая «жизнь» на Земле, возможно, была самовоспроизводящейся последовательностью аминокислот это было создано естественными химическими реакциями.

Нуклеиновые кислоты были обнаружены в метеоритах из космоса, доказывая, что эти сложные молекулы могут образовываться по естественным причинам даже в условиях, где нет жизни.

Некоторые ученые даже предположили, что такие метеориты, возможно, помогли создать первую самореплицирующуюся «жизнь» нуклеиновых кислот на Земле. Это кажется возможным, но нет никаких веских доказательств, чтобы сказать, правда ли это.