Меню

Сравнение нуклеиновых кислот химия



Нуклеиновые кислоты

Строение мономера

Основой строения нуклеиновых кислот является структурная единица – нуклеотид. Это мономер, состоящий из остатков:

  • азотистых оснований (пиримидиновых или пуриновых);
  • моносахарида;
  • фосфорной кислоты.

Моносахарид – основа нуклеотида. В зависимости от содержащегося моносахарида различают два вида нуклеиновых кислот:

  • дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – содержит дезоксирибозу (С5Н10О4);
  • рибонуклеиновая кислота (РНК) – содержит рибозу (С5Н10О5).

Нуклеотиды отличаются азотистыми основаниями. Всего известно пять видов: аденин, гуанин (производные пурина), тимин, цитозин, урацил (производные пиримидина). В РНК входят нуклеотиды с аденином, гуанином, цитозином и урацилом. В ДНК урацил заменён аналогичным тимином.

К моносахариду посредством сложноэфирной связи по кислороду присоединены остатки фосфорной кислоты Н2РО3-. В зависимости от количества фосфорных остатков различают монофосфатные, дифосфатные и трифосфатные нуклеотиды.

Рис. 1. Строение нуклеотидов ДНК и РНК.

Остаток фосфорной кислоты присоединён к третьему или пятому атому углерода моносахарида, а остаток азотистого основания – к первому атому.

Строение цепочки

Нуклеотиды, содержащие разные типы азотистых оснований, выстраиваются в длинную полимерную цепь, называемую полинуклеотидом. Чтобы эта гигантская цепочка уложилась в ядро клетки, она компактно скручивается. Выделяют четыре уровня структурной организации или упаковки кислот:

  • первичная – нуклеотиды, соединённые остатками фосфорной кислоты;
  • вторичная– две цепочки, соединённые водородными связями по принципу комплементарности;
  • третичная– спираль, образованная за счёт радикалов азотистых оснований;
  • четвертичная– гистоны (класс белков) и нити хроматина (комплекс из ДНК, РНК, белков).

Пример третичной структуры – ДНК. Это самая большая молекула, которая может состоять из миллионов нуклеотидов. Мономеры образуют две цепочки, соединённые по принципу комплементарности и перекрученные в спираль. Более сложная упаковка – четвертичная структурная организация, при которой ДНК, переплетается с РНК и белками, образуя хроматин. Это вязкое вещество, содержащееся в ядре и образующее хромосомы при делении клетки.

Рис. 2. Уровни структурной организации ДНК.

Принцип комплементарности – это возможность определённых азотистых оснований создавать водородные связи с другими азотистыми основаниями. Аденин всегда образует связь только с тимином (в ДНК) или урацилом (в РНК), а гуанин – с цитозином.

Рис. 3. Принцип комплементарности.

Общее описание

Нуклеиновые кислоты хорошо растворяются в воде, но практически не растворяются в органических растворителях. ДНК образует в воде вязкое вещество белого цвета. Цепочки нуклеотидов легко фрагментируются при механическом воздействии или под влиянием температур. Например, ДНК в растворе распадается на две цепочки при нагревании до 60°С или под действием щелочей. При остывании раствора цепочки вновь соединяются по принципу комплементарности.

Определённые последовательности нуклеотидов образуют гены, которые определяют свойства организма посредством синтеза белков.

Нуклеиновые кислоты впервые были выделены из ядер лейкоцитов в 1868 году химиком Фридрихом Мишером. Неразлагающееся под действием ферментов вещество содержало фосфор и имело ярко выраженные кислотные свойства. Соединению была приписана формула C29H49N9O22P3.

Что мы узнали?

Из урока химии 10 класса узнали об общей характеристике нуклеиновых кислот. Это полимерные вещества, состоящие из мономеров – нуклеотидов, которые включают моносахарид, остатки фосфорной кислоты и пять типов азотистых оснований. Нуклеиновые кислоты в зависимости от содержащегося моносахарида делятся на два типа – ДНК и РНК. ДНК – самая большая молекула, состоящая из двух цепочек нуклеотидов, перекрученных в спираль.

Источник

§ 18. Нуклеиновые кислоты

Важнейшими природными полимерами, обеспечивающими передачу наследственных свойств организмов, являются нуклеиновые кислоты. Свое название они получили от слова nucleus — «ядро», т. е. их можно назвать «ядерными кислотами».

Различают два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые <ДНК) и рибонуклеиновые (РНК),

ДНК и РНК — это природные биополимеры, построенные остатками нуклеотидов, т. е. полинуклеотиды.

Что представляет собой нуклеотид? Это трехзвенное соединение, состоящее из азотистого основания, связанного с углеводом (пентозой) и остатком фосфорной кислоты. Схематично строение нуклеотида можно представить так:

Подобно белкам, нуклеиновые кислоты имеют различные структуры. Первичная структура РНК и ДНК определяется порядком чередования нуклеотидов в полимерной цепи.

В полимерной цепи каждой нуклеиновой кислоты этот порядок определяется всего лишь четырьмя видами нуклеотидов, которые, в свою очередь, отличаются друг от друга природой азотистого основания. Так, в состав ДНК входят нуклеотиды, имеющие в своем составе следующие четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). В состав нуклеотидов РНК входят также четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), урацил (У) и цитозин (Ц). (Найдите отличие РНК и ДНК по входящим в их состав азотистым основаниям.)

Второе отличие ДНК от РНК вы также без труда назовете сами: в качестве углевода пентозы нуклеотид ДНК содержит дезоксирибозу, а РНК — рибозу.

Кроме разного строения нуклеотидов, ДНК и РНК отличаются также и вторичной структурой. За исследования в определении этой структуры два американских биохимика Дж. Уотсон и Ф. Крик были удостоены Нобелевской премии.

РНК представляет собой одинарную цепь полимера, а ДНК — двойную. Двойная спираль ДНК построена в строгом соответствии с принципом комплементарности: против аденинового нуклеотида одной цепи всегда располагается тиминовый другой полимерной цепи, против гуанинового — всегда цитозиновый. Этот порядок обусловлен возникновением водородных связей между комплементарными (дополняющими друг друга) нуклеотидами (рис. 79).

Рис. 79.
Участок двойной спирали ДНК

Еще одно отличие ДНК от РНК состоит в их локализации в частях клетки. Так, ДНК находится преимущественно в хромосомах клеточного ядра (99% всей ДНК клетки), а также митохондриях и хлоропластах. РНК же входит в состав ядрышек, рибосом, митохондрий, пластид и цитоплазмы.

Нуклеиновые кислоты различаются также числом нуклеотидов: от 80 нуклеотидов в молекулах транспортных РНК до нескольких десятков тысяч в ДНК.

ДНК — главная молекула в живом организме. Она хранит генетическую информацию, которая передается от одного поколения к другому. В молекулах ДНК в закодированном виде записан состав всех белков организма. Каждой аминокислоте, входящей в состав белка, соответствует свой код в ДНК — определенная последовательность из трех азотистых оснований (кодон).

ДНК содержит всю генетическую информацию, но непосредственно в синтезе белка не участвует. Роль посредника между ДНК и местом синтеза белка выполняет иРНК. Процесс синтеза белка на основе генетической информации схематично можно разбить на две основные стадии: считывание информации (транскрипция) и синтез белка (трансляция):

Замечательным свойством молекулы ДНК является возможность ее самоудвоения, называемого репликацией. Под действием внешних факторов водородные связи между комплементарными основаниями разрываются, и спираль начинает раскручиваться. Параллельно этому каждая «обзаводится» второй комплементарной нитью, синтезируемой из подходящих нуклеотидов (рис. 80).

Рис. 80.
Схема репликации ДНК. Верхняя часть спирали — старая ДНК, нижняя часть — две новые молекулы

В результате репликации образуются две абсолютно одинаковые молекулы ДНК. В каждой из них одна поли-нуклеотидная цепочка взята от исходной ДНК, а вторая образовалась в результате биосинтеза.

Клетки содержат три типа РНК, выполняющие различные функции.

Рибосомные РНК (рРНК) составляют до 85% всей РНК клетки. Они входят в состав рибосом и выполняют структурную функцию. Кроме этого, рРНК участвуют в формировании активного центра рибосомы, где происходит образование пептидных связей между молекулами аминокислот в процессе биосинтеза белка.

Информационные, или матричные, РНК (иРНК) программируют синтез белков молекулы. Несмотря на относительно низкое процентное содержание (около 5%) в общей массе РНК клетки, иРНК по значению стоят на первом месте. Они осуществляют непосредственную передачу кода ДНК к месту синтеза белков. При этом каждый белок клетки кодируется своей специфической иРНК. Это обусловлено тем, что иРНК получает во время своего синтеза информацию о структуре белка от ДНК в форме скопированной последовательности нуклеотидов и переносит ее на рибосомы, где эта информация реализуется.

Символом тРНК обозначают транспортную РНК. Низкомолекулярные транспортные РНК (тРНК) составляют примерно 10% от всех клеточных РНК. Каждая тРНК присоединяет и переносит определенную аминокислоту к рибосомам — месту синтеза белка. Следовательно, в соответствии с 20 видами аминокислот существует и 20 различных тРНК.

Таким образом, значение всех видов РНК определяется тем, что они представляют собой функционально объединенную систему, направленную на осуществление в клетке синтеза специфических для нее белков.

Генетический код иРНК был расшифрован в 60-х гг. XX в. Его особенность состоит в том, что он универсален для всех живых организмов от вирусов до человека. Одинаковым тройкам оснований в различных РНК соответствуют одинаковые аминокислоты. Эта универсальность служит одним из доказательств единого происхождения всего живого на Земле.

Существует мнение, что процесс биологического старения вызывается тем, что генетическая информация при воспроизведении ДНК и белковом синтезе во все возрастающей мере передается с ошибками.

Расшифровка генетического кода позволит в перспективе управлять биохимическими процессами в живых организмах, поскольку уже разработаны химические методы синтеза нуклеиновых кислот с заданной последовательностью нуклеотидов.

Знание механизма биосинтеза белка в живой клетке и принципа передачи наследственных свойств организмов привело к возникновению и бурному развитию таких направлений современной биоорганической химии, как генная инженерия и биотехнология.

Каждая клетка в организме человека содержит полный набор генов. В ДНК, например, имеется ген, который отвечает за синтез инсулина. Однако «включается» этот ген только в особых клетках поджелудочной железы, которые продуцируют этот гормон.

Инсулин — важнейший препарат, используемый для лечения сахарного диабета. Задача искусственного получения этого гормона белковой природы была решена в 80-х гг. XX в.

Первым из предложенных путей получения инсулина был следующий. Предлагалось взять клетки поджелудочной железы, вырастить колонию таких клеток, обеспечить их необходимыми аминокислотами в качестве «строительного материала» для построения цепочки инсулина, а затем выделить готовый продукт. К сожалению, в настоящее время этот путь реализовать сложно в отношении человеческих клеток.

Однако технология выращивания других, более грубых типов клеток, в особенности клеток бактерий и дрожжей, хорошо разработана. Бактерии применяют при получении таких веществ, как молочная и лимонная кислоты. Пивовары на протяжении тысячелетий используют дрожжи для превращения сахаров в этанол. Относительно недавно стали производить в биореакторах такие лекарственные вещества, как пенициллин и окситетрациклин, используя плесневые грибки.

Процесс получения различных веществ и продуктов с применением ферментов клеточных структур называют биотехнологией.

В последние годы ученые научились встраивать гены высших организмов, в том числе человека, в клетки бактерий или дрожжей. Эти клетки можно использовать затем для синтеза белков. Подобным образом удалось заставить «работать» ген инсулина. Человеческий инсулин был впервые получен с помощью бактерий Е. coli и стал доступен в 1982 г. Позднее для этой цели были использованы клетки дрожжей, которые больше похожи на клетки человека.

Извлечение генов из клеток организмов одного типа и вживление их в клетки организмов другого типа называют генной инженерией или технологией рекомбинантных ДНК.

Такие белки, как инсулин, человеческий гормон роста соматотропин и фактор VIII (или коагулирующий фактор — вызывает свертывание крови, применяют при гемофилии), — это продукты генной инженерии. Важнейшее преимущество этих препаратов состоит в том, что они дешевле и чище, чем вещества, полученные традиционным путем. Например, произведенный методом генной инженерии фактор VIII исключает риск заболевания СПИДом, который существует, когда препарат готовят из донорской крови.

Применение и тем более потенциальные возможности генной инженерии простираются гораздо дальше получения медицинских препаратов.

Иммунная система человека защищает его от вирусной инфекции, распознавая слой белка в оболочке вируса. Если методом генной инженерии произвести только этот белок (без опасного содержимого — вируса) и сделать инъекцию, то препарат будет работать как вакцина. Вакцина против гепатита В получена и действует именно таким образом.

Предприятия и организации по защите окружающей среды могут широко использовать модифицированные бактерии и грибы, которые преобразуют потенциально вредные соединения в безвредные. Составив генетический набор из нескольких бактерий, можно получить, например, новые «нефтепожирающие супермикробы». Бактерии выбраны для этой цели потому, что в их обмене веществ используются разные компоненты сырой нефти. Если приготовить комбинацию из соответствующих генов всех бактерий, то бактерия — носитель этой комбинации — сможет разлагать все соединения, содержащиеся в сырой нефти.

Для борьбы с сорняками и вредителями растений методами генной инженерии используют два подхода. Во-первых, гены, определяющие устойчивость растений к действию пестицидов и гербицидов, трансплантируют в штаммы сельскохозяйственных культур. При обработке полей соответствующими препаратами вредители и сорняки уничтожаются без ущерба для культурных растений. Во-вторых, некоторые растения производят свои собственные пестициды. Гены, отвечающие за продуцирование токсичных для вредных насекомых белков, вводят в клетки томатов или зерновых. Это уменьшает потребность в искусственных пестицидах.

С помощью генной инженерии проводят селекцию сельскохозяйственных культур. Гены, ускоряющие фотосинтез или увеличивающие устойчивость к засухе, могут быть встроены в клетки растений с целью сделать эти растения пригодными для выращивания в менее солнечных или более засушливых местностях. Дальнейшее развитие этой технологии может расширить область ее применения, распространив ее на гены, отвечающие, например, за связывание атмосферного азота, что позволит уменьшить потребность в минеральных удобрениях.

Новые слова и понятия

  1. Рибонуклеиновые кислоты РНК и дезоксирибонуклеиновые кислоты ДНК.
  2. Нуклеотиды, полинуклеотиды.
  3. Функции РНК и ДНК.
  4. Биотехнология.
  5. Генная инженерия.

Вопросы и задания

    Какие соединения называют нуклеиновыми кислотами? Какие типы нуклеиновых кислот вы знаете?
  1. Как устроен нуклеотид? Сравните строение нуклеотидов ДНК и РНК.
  2. Сравните строение, локализацию в клетках и функции РНК и ДНК.
  3. Какие разновидности РНК вы знаете? Какую роль играет каждый вид РНК в биосинтезе белка?
  4. Приведите доказательства единства организации всего живого на Земле, начиная с рассмотрения химического состава клеток до высших биополимеров — нуклеиновых кислот.
  5. Дана последовательность нуклеотидов на участке одной из полимерных цепей ДНК:

Определите последовательность нуклеотидов на комплементарном участке второй цепи.

  • Что такое биотехнология? Приготовьте сообщение о возникновении и развитии этого направления в современной науке.
  • Что такое генная инженерия? Приготовьте сообщение об успехах современной генной инженерии.
  • Что такое трансгенные формы организмов? Как вы считаете, безопасно ли использование в пищу трансгенных или генетически модифицированных продуктов? Умеете ли вы различать трансгенную пищевую продукцию по информации на упаковках?
  • Выдающимся достижением науки последних лет считается расшифровка генома человека. Что вы знаете об этом? Приготовьте сообщение на эту тему.
  • Источник

    Сравнительная характеристика нуклеиновых кислот

    Тема: «Нуклеиновые кислоты. Сходство и различия»

    Сходство нуклеиновых кислот:

    1.Нуклеиновые кислоты ( от лат. «нуклеус»- ядро) впервые обнаружены в ядрах лейкоцитов и являются самыми крупными из молекул, образуемыми живыми организмами (относят к органическим веществам- 1,0-2,0 % содержание в клетке)

    2 . Нуклеиновые кислоты это полимеры , которые состоят из мономеров — нуклеотидов.

    3. Каждый нуклеотид состоит из: фосфатной группы, пятиуглеродного сахара (пентозы) и азотистого основания. (рис.17, стр. 48 в учебнике) . Остаток фосфорной кислоты, связан с пентозой ковалентной связью с гидроксильной группой.

    4. Азотистое основание состоит из 4-х оснований – нуклеотидов: АДЕНИН (обозначается А ), ГУАНИН (обозначается Г ), ЦИТОЗИН (обозначается Ц ) или ТИМИН (обозначается Т) . Соединение между нуклеотидами идёт по принципу комплементарности по количеству водородных связей: между Ц и Г3 водородных связей , а между А и Т или У – 2 водородных связей.

    5 . Важно! (Рис. 18. Стр. 49) Концы цепочки нуклеотидов – разные, на одном расположен связанный с 5 атомом пентозы фосфат (читается 5 –штрих конец), на другом остаётся не связанная с фосфатом ОН-группа около 3-го атома. (читается 3-штрих конец)

    Различия нуклеиновых кислот.

    Различают 2 типа нуклеиновых кислот, в зависимости от того, какой углерод (пентоза) входит в их состав:

    3.Входят 4 нуклеотида, которые соединены по принципу комплементарности:

    Ц-Г, А-Т . Нет УРАЦИЛА

    3. Входят 4 нуклеотида:

    Ц-Г, А-У. Нет ТИМИНА,

    4. ДНК располагается в ядрах клеток, но есть и в митохондриях, пластидах.

    4. РНК располагается в ядре, цитоплазме, рибосомах, митохондриях, пластидах.

    5. ДНК выполняет функцию – хранение и передача наследственной информации клетки. Разделение на группы нет .

    5. РНК разделяют на 3 группы (типа), которые различны по структуре, величине молекул, расположению в клетке и функциям:

    1) рРНК (рибосомальная РНК ) – входят в состав рибосом и участвуют в формировании активного центра рибосомы, где происходит СИНТЕЗ БЕЛКА. ( сосотоит из 2-х субъединиц)

    2) т РНК (транспортная РНК)- транспортируют аминокислоты к месту синтеза белка . (имеет вид трилистника-рис.20)

    3). иРНК ( информационная или матричная РНК) синтезируется на участке одной из цепей молекулы ДНК и передаёт информацию о структуре белка из ядра клеток к рибосомам, где происходите синтез новой белковой цепочки. (биосинтез белка в клетке)

    Источник

    Нуклеиновые кислоты: информационные молекулы. Урок 9

    Для стабильной работы клетки нужно, чтобы в ней постоянно продуцировалось большое количество разнообразных белков. Информация о белках хранится в клетке, даже о тех из них, которые данный организм не унаследовал. «Банком сведений» являются нуклеиновые кислоты, их можно сравнить с дисками наших компьютеров, на которые мы складываем всё, что нужно запомнить. Все живые организмы способны сберегать наследственную информацию и передавать её потомкам при помощи нуклеиновых кислот.

    Впервые нуклеиновые кислоты были открыты швейцарским биохимиком Ф. Мишером в 1868 г. Он выделил их из сперматозоидов лосося и ядер лейкоцитов человека. От слова «ядро» (лат. nucleus) и произошло название «нуклеиновые кислоты». Позже они были обнаружены вне ядер и в клетках всех живых организмов, в том числе безъядерных, но название так и сохранилось.

    Фридрих Мишер

    Существует две разновидности нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), которые обеспечивают сохранение информации и РНК (рибонуклеиновая кислота), принимающие участие в процессе генной эксперессии и биосинтеза белка.

    Нуклеиновые кислоты обладают уникальным свойством, они способны служить шаблоном для получения точной копии самих себя. Именно это позволяет передавать генетическую информацию в процессе деления клеток во время размножения организмов.

    Репликация ДНК

    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 оснований Строение 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.

    ДНК – хранитель генетической информации

    Организмы используют расстановку нуклеотидов ДНК для кодирования информации, указывающей аминокислотную последовательность первичной структуры их белков. Этот способ похож на то, как мы кодируем слова в предложении при помощи букв.

    Предложение, написанное на русском языке, состоит из комбинации 33 букв алфавита в определённом порядке; код молекулы ДНК состоит из комбинации четырёх типов нуклеотидов в специфической последовательности: А, T, Г, Ц.

    ДНК в организмах содержится в виде двух цепей, обёрнутых в виде спирали вокруг друг друга и вместе вокруг общей оси, либо в линейной форме, либо кольцевой у большинства прокариот, а также в хлоропластах и митохондриях эукариот. Исключение – одноцепочечная молекула ДНК некоторых фагов — вирусов, поражающих бактериальные клетки. Две нити ДНК соединены связями-перемычками, как винтовая лестница ступенями. Такая структура молекулы называется двойной спиралью. Каждый шаг винтовой лестницы ДНК состоит из пары оснований. Основание одной цепи притягивается водородной связью к основанию другой цепи.

    Строение ДНК

    Правила спаривания возникают из наиболее стабильной конфигурации водородного скрепления между двумя основаниями: пары аденина с тимином двумя водородными связями (в ДНК) или с урацилом (в РНК) и пары цитозина с гуанином — тремя водородными связями.

    Основания, которые участвуют в сопряжении, дополняют друг друга, это свойство носит название комплементарности. Если известна последовательность оснований одной цепи ДНК, то благодаря специфичности их соединения, становится известна структура её партнёра — второй цепи.

    Схема строения ДНК

    В клетках эукариот ДНК дополнительно комплектуется с белками для формирования структур, называемых хромосомами. Это структуры более высокого порядка, которые влияют на функцию ДНК, поскольку участвуют в контроле за экспрессией генов.

    Определение размеров молекул ДНК стало возможным только после изобретения методов электронной микроскопии, ультрацентрифугирования, электрофореза.

    Расшифровка структуры ДНК имеет свою предысторию. В 1950 г. американский ученый Э. Чаргафф и его коллеги, исследуя состав молекулы ДНК, установили следующие закономерности, впоследствии названные правилами Чаргаффа.

    1. Количество адениловых нуклеотидов в молекуле ДНК равно количеству тимидиловых (А = Т), а количество гуаниловых — количеству цитидиловых (Г = Ц).
    2. Количество пуриновых азотистых оснований равно количеству пиримидиновых (А + Г = Т + Ц).
    3. Суммарное количество адениловых и цитидиловых нуклеотидов равно суммарному количеству тимидиловых и гуаниловых нуклеотидов (А + Ц = Т + Г), что следует из первого правила.

    Это открытие способствовало установлению пространственной структуры ДНК и определению ее роли в передаче наследственной информации от одного поколения другому. В 1953 г. на основании правил Чаргаффа и данных о пространственной структуре молекулы ДНК, полученных английским биофизиком М. Уилкинсом, американский ученый Дж. Уотсон и англичанин Ф. Крик предложили трехмерную модель структуры ДНК, которая получила название «двойной спирали». За разработку модели молекулы ДНК Дж. Уотсон, Ф. Крик и М. Уилкинс в 1962 г. были удостоены Нобелевской премии.

    Параметры двойной спирали ДНК

    Роли РНК в клетке

    Рибонуклетновые кислоты подобны ДНК, но имеет несколько основных химических различий.

    • Она содержит дисахарид рибозу, связанный с гидроксильной группой (в ДНК гидроксильную группу заменяет атом водорода);
    • В молекуле РНК используется урацил вместо тимина. Урацил имеет сходную с тимином структуру, за исключением того, что один из его углеродов не имеет метильной группы (- CH3 ).
    • РНК производится путём транскрипции с участка ДНК, не образует двойной спирали, но содержит короткие участки со спаренными основаниями. Это приводит к тому, что при двумерном изображении она напоминает шпильки и петли, форму кленового листа (у тРНК).

    Все виды РНК синтезируются на определенных участках одной из цепей ДНК. Такой синтез получил название матричного, так как молекула ДНК является матрицей (т. е. образцом, моделью) для синтеза молекул РНК.

    Роль РНК в клетке разнообразна:

    • она несёт информацию в виде матричной, или информационной РНК (мРНК, или иРНК). Матричные РНК наиболее разнообразны по структуре и размерам. Одна молекула содержит информацию об одном белке. В ходе синтеза белка на рибосомах она служит матрицей, поэтому биосинтез белка относится к матричным процессам. Содержание иРНК составляет 3-5% всех РНК клетки;
    • входит в состав рибосомы в форме рибосомальной РНК (рРНК). рРНК составляет 80% всех РНК клетки. В соединении с белками они образуют одномембранные органоиды рибосомы, и участвуют в синтезе белков из аминокислот;
    • переносит аминокислоты в виде трансферной, или транспортной РНК (тРНК) составляет около 15 % всех клеточных РНК. Молекулы тРНК сравнительно небольшие (в среднем состоят из 80 нуклеотидов). Благодаря формированию внутримолекулярных водородных связей молекула тРНК приобретает характерную пространственную структуру, называемую клеверным листом.

    В последнее время у РНК были обнаружены ферментативные функции, а отдельная её форма включает регуляцию экспрессии генов.

    Другие нуклеотиды

    В дополнение к служению мономерами в ДНК и РНК нуклеотиды играют важные роли в жизни клетки. Они являются основой для синтеза целого ряда органических веществ. Два нуклеотида могут быть связаны через фосфатные группировки в динуклеотид. К этой группе соединений относятся коферменты:

    Также есть жизненно-важные нуклеотиды, являющиеся компонентами энергетических реакций. Например, аденин является ключевым компонентом молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), энергетической валюты клетки. Клетки используют АТФ в качестве источника энергии во всех процессах: чтобы перенести вещества через мембрану, соединить или расщепить молекулы, передвигать мышцами, жгутиками и ресничками и т. д. АТФ – это универсальный (для всех живых организмов) источник и переносчик энергии клетки.

    Структура аденозинтрифосфорной кислоты
    Автор: Solon

    Молекула АТФ состоит из азотистого основания аденина, пятиуглеродного сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Остатки фосфорных кислот соединены между собой высокоэнергетическими связями (макроэргическими). Отрыв остатка фосфорной кислоты происходит в процессе гидролиза, при этом выделяется большое количество энергии – 40 кДж/моль. Процесс отсоединения фосфатной группы называется реакцией дефосфорелирования.

    После гидролитического отщепления от АТФ одной фосфатной группы образуется аденизиндифосфатная кислота (АДФ):

    АДФ может подвергаться дальнейшему гидролизу с отщеплением еще одной фосфатной группы и выделением второй «порции» энергии. При этом АДФ преобразуется в аденозинмонофосфорную кислоту (АМФ):

    Обратный процесс — синтез АТФ — происходит в результате присоединения к молекуле АДФ остатка фосфорной кислоты (реакция фосфорилирования). Этот процесс осуществляется за счет энергии, высвобождающейся при окислении органических веществ (глюкозы, высших карбоновых кислот и др.). Для образования 1 моль АТФ из АДФ должно быть затрачено не менее 40 кДж энергии:

    АТФ чрезвычайно быстро обновляется. У человека, например, каждая молекула АТФ расщепляется и вновь синтезируется около 2400 раз в сутки, поэтому средняя продолжительность ее «жизни» — менее 1 мин. Синтез АТФ осуществляется главным образом в митохондриях и хлоропластах, частично в гиалоплазме.

    Нуклеиновые кислоты: решение задач

    Задача 1.

    В молекуле ДНК содержится 17% аденина. Определите, сколько (в %) в этой молекуле содержится других оснований.

    По первому правилу Чаргаффа А=Т, Г=Ц. В задаче дано А=17%, значит и тимина 17%. Всего тимина и аденина 17+17=34%. Оставшиеся 66% делятся на гуанин и цитидин поровну. Г=33% и Ц=33%.

    Ответ: в этой молекуле ДНК содержится:

    Задача 2.

    Участок гена имеет следующее строение, состоящее из последовательности нуклеотидов: ЦГГ ЦГЦ ТЦА ААА ТЦГ …

    Укажите строение соответствующего участка белка, информация о котором содержится в данном гене. Как отразится на строении белка удаление из гена четвёртого нуклеотида?

    Генетический код

    Используя принцип комплементарности (в ДНК: А=Т, Г=Ц) соединения оснований водородными связями и таблицу генетического кода:

    Цепь ДНК ЦГГ ЦГЦ ТЦА ААА ТЦГ
    иРНК ГЦЦ ГЦГ УГУ УУУ АГЦ
    Цепь белка из аминркислот Ала Ала Сер Фен Сер

    При удалении из гена четвёртого нуклеотида – Ц, произойдут заметные изменения – уменьшится количество и состав аминокислот в белке.

    ДНК ЦГГ ГЦТ ЦАА ААТ ЦГ
    иРНК ГЦЦ ЦГА ГУУ УУА ГЦ
    белок Ала Арг Вал Лей

    Задача 3.

    Какую длину имеет участок ДНК, кодирующий синтез инсулина, который содержит 51 аминокислоту в двух цепях, если один нуклеотид занимает 3,4 А° (ангстрема) цепи ДНК? 1 А°=0,1 нм (нанометра)=0,0001 мкм (микрометра)=0,000 0001 мм=0,000 000 000 01 м.

    1) 51Х3=153 (нуклеотида) – так как каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами.

    2) 153 Х3,4 = 520,2 (А°)

    Ответ: участок ДНК равен 520,2 А°

    Вам будет интересно

    В многоклеточных организмах молекул больше, чем звёзд на небе. Основные функции в них выполняют органические…

    В биологии липиды — это несколько свободная группа органических молекул (жиров и жироподобных веществ (липоидов).…

    Углеводы – это органические молекулы, которые содержат углерод, водород и кислород в мольном соотношении 1:2:1.…

    Белки выполняют ведущую роль в жизни организмов, преобладая в них и количественно. В теле животных…

    Подумайте! Когда нужно начинать ориентироваться – до похода или тогда, когда уже заблудился? Какие способы…

    Источник

    Читайте также:  Сравнить ноутбук или ультрабук