Нуклеиновые кислоты являются. Нуклеиновые кислоты: история исследования, описание

Молекулярные основы наследственности и изменчивости

1. Нуклеиновые кислоты, их строение, функции и генезис

2. Основные этапы биосинтеза белков. Генетический код, его основные свойства

3. Регуляция экспрессии генов

Нуклеиновые кислоты, их строение и функции

Нуклеиновые кислоты – это линейные неразветвленные гетерополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды , связанные фосфодиэфирными связями .

Нуклеотиды – это органические вещества, молекулы которых состоят из остатка пентозы (рибозы или дезоксирибозы), к которому ковалентно присоединены остаток фосфорной кислоты и азотистое основание. Азотистые основания в составе нуклеотидов делятся на две группы: пуриновые (аденин и гуанин) и пиримидиновые (цитозин, тимин и урацил). Дезоксирибонуклеотиды включают в свой составдезоксирибозу аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц). Рибонуклеотиды включают в свой состав рибозу и одно из азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), урацил (У),цитозин (Ц).

В ряде случаев в клетках встречаются и разнообразные производные от перечисленных азотистых оснований – минорные основания, входящие в состав минорных нуклеотидов.

Свободные нуклеотиды и сходные с ними вещества играют важную роль в обмене веществ. Например, НАД (никотинамидадениндинуклеотид) и НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) служат переносчиками электронов и протонов.

Свободные нуклеотиды способны присоединять еще 1...2 фосфорные группы, образуя макроэргические соединения . Универсальным источником энергии в клетке является АТФ – аденозинтрифосфорная кислота, состоящая из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной (пирофосфорной) кислоты. При гидролизе одной концевой пирофосфатной связи выделяется около 30,6 кДж/моль (или 8,4 ккал/моль) свободной энергии, которая может использоваться клеткой. Такая пирофосфатная связь называется макроэргической (высокоэнергетической).

Кроме АТФ существуют и другие макроэргические соединения на основе нуклеотидов: ГТФ (содержит гуанин; участвует в биосинтезе белков, глюкозы), УТФ (содержит урацил; участвует в синтезе полисахаридов).

Нуклеотиды способны образовывать циклические формы, например, цАМФ, цЦМФ, цГМФ. Циклические нуклеотиды выполняют роль регуляторов различных физиологических процессов.

Нуклеиновые кислоты

Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота ) и РНК (рибонуклеиновая кислота ). Нуклеиновые кислоты обеспечивают хранение, воспроизведение и реализацию генетической (наследственной) информации. Эта информация отражена (закодирована) в виде нуклеотидных последовательностей. В частности, последовательность нуклеотидов отражает первичную структуру белков (см. ниже). Соответствие между аминокислотами и кодирующими их нуклеотидными последовательностями называется генетическим кодом . Единицей генетического кода ДНК и РНК является триплет – последовательность из трех нуклеотидов.

Нуклеиновые кислоты – это химически активные вещества. Они образуют разнообразные соединения с белками – нуклеопротеиды , или нуклеопротеины .

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – это нуклеиновая кислота, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды. ДНК является первичным носителем наследственной информации. Это означает, что вся информация о структуре, функционировании и развитии отдельных клеток и целостного организма записана в виде нуклеотидных последовательностей ДНК.

Нуклеиновые кислоты были открыты Мишером в 1868 г. Однако лишь в 1924 г. Фёльген доказал, что ДНК является обязательным компонентом хромосом. В 1944 г. Эвери, Мак-Леод и Мак-Карти установили, что ДНК играет решающую роль в хранении, передаче и реализации наследственной информации.

Существует несколько типов ДНК: А, В, Z, Т–формы. Из них в клетках обычно встречается В–форма – двойная правозакрученная спираль, которая состоит из двух нитей (или цепей), связанных между собой водородными связями. Каждая нить представлена чередующимися остатками дезоксирибозы и фосфорной кислоты, причем, к дезоксирибозе ковалентно присоединяется азотистое основание. При этом азотистые основания двух нитей ДНК направлены друг к другу и за счет образования водородных связей образуют комплементарные пары : А=Т (две водородных связи) и Г≡Ц (три водородных связи). Поэтому нуклеотидные последовательности этих цепей однозначно соответствуют друг другу. Длина витка двойной спирали равна 3,4 нм, расстояние между смежными парами азотистых оснований 0,34 нм, диаметр двойной спирали 1,8 нм.

В эукариотических клетках ДНК существует в виде нуклеопротеиновых комплексов, в состав которых входят белки-гистоны.

Длина ДНК измеряется числом нуклеотидных пар (сокращ. – пн , или b ). Длина одной молекулы ДНК колеблется от нескольких тысяч пн (сокращ. – тпн , или Kb ) до нескольких миллионов пн (мпн , или Mb ).

Нуклеиновые кислоты - это биополимеры, наряду с белками играющие наиважнейшую роль в клетках живых организмов. Нуклеиновые кислоты отвечают за хранение, передачу и реализацию наследственной информации.

Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды , таким образом они сами представляют полинуклеотиды .

Строение нуклеотидов

Каждый нуклеотид, входящий в состав нуклеиновой кислоты, состоит из трех частей:

пятиуглеродного сахара (пентозы),

азотистого основания,

фосфорной кислоты.

Химические связи между частями нуклеотида ковалентные, образующиеся в результате реакций конденсации (т. е. с выделением молекул воды). Конденсация обратна гидролизу.

В нуклеотиде первый атом углерода пентозы связан с азотистым основанием (связь C-N), а пятый - с фосфорной кислотой (фосфоэфирная связь: C-O-P).

Существуют два основных типа нуклеиновых кислот - ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). В составе РНК сахар представлен рибозой, а в ДНК - дезоксирибозой. В обоих случаях в нуклеиновых кислотах встречается циклический вариант пентоз. Дезоксирибоза отличается от рибозы отсутствием атома кислорода при втором атоме углерода.

Наличие дополнительной гидроксильной группы (-OH) у рибозы делает РНК молекулой, легче вступающей в химические реакции.

В составе нуклеотидов нуклеиновых кислот обычно встречаются следующие азотистые основания: аденин (А), гуанин (Г, G), цитозин (Ц, C), тимин (Т), урацил (У, U).

Аденин и гуанин относятся к пуринам, остальные - к пиримидинам. В молекуле пуринов имеется два кольца, а у пиримидинов только одно. Урацил почти не встречается в ДНК, а тимин весьма редок для РНК. То есть для ДНК характерны аденин, гуанин, тимин и цитозин. Для РНК - аденин, гуанин, урацил и цитозин. Тимин схож с урацилом, отличатся от него лишь метилированным (имеющим группу -CH 3) пятым атомом кольца.

Химическое соединение сахара с азотистым основанием называется нуклеозидом . Ниже представлены нуклеозиды, где в качестве сахара выступает рибоза.

Нуклеозид, реагируя с фосфорной кислотой, образует нуклеотид. Ниже представлен нуклеотид, где в качестве сахара выступает дезоксирибоза, а в качестве азотистого основания - аденин.

Именно наличие остатков фосфорной кислоты в молекулах нуклеиновых кислот определяет их кислотные свойства.

Строение нуклеиновых кислот

Нуклеотиды линейно соединяются между собой, образуя длинные молекулы нуклеиновых кислот. Цепочки многих молекул являются самыми длинными существующими полимерами. Длина молекул обычно существенно меньше ДНК, но при этом различна, т. к. зависит от типа РНК.

При образовании полинуклеотида (нуклеиновой кислоты) остаток фосфорной кислоты предыдущего нуклеотида соединяется с 3-м атомом углерода пентозы следующего нуклеотида. Связь образуется такая же как между 5-м атомом углерода сахара и фосфорной кислотой в самом нуклеотиде – ковалентная фосфоэфирная.

Таким образом, остов молекул нуклеиновых кислот составляют пентозы, между которыми образуются фосфодиэфирные мостики (по-сути остатки пентоз и фосфорных кислот чередуются). От остова в сторону отходят азотистые основания. На рисунке ниже представлена часть молекулы рибонуклеиновой кислоты.

Следует отметить, что молекулы ДНК обычно не только длиннее РНК, но и состоят из двух цепей, соединенных между собой водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями. Причем данные связи образуются согласно принципу комплементарности, по которому аденин комплементарен тимину, а гуанин - цитозину.

Подобные связи могут возникать и в РНК (но здесь аденин комплементарен урацилу). Однако в РНК водородные связи образуются между нуклеотидами одной цепи, в результате чего молекула нуклеиновой кислоты сворачивается различным образом.

Вспомните!

Почему нуклеиновые кислоты относят к гетерополимерам?

Состоят из разных мономеров – нуклеотидов, но сами нуклеотиды различаются между собой некоторыми структурами.

Что является мономером нуклеиновых кислот?

Нуклеотиды

Какие функции нуклеиновых кислот вам известны?

Хранение и передача наследственной информации. В ДНК заключена информация о первичной структуре всех белков, необходимых организму. Эта информация записана в линейной последовательности нуклеотидов. Так как белки играют первостепенную роль в жизнедеятельности организма, участвуя в строении, развитии, обмене веществ, то можно утверждать, ДНК хранит информацию об организме. В РНК каждый ее тип выполняет свою функцию в зависимости от своего строения. м-РНК – копия участка ДНК, где записаны информация о числе, составе и последовательности аминокислотных остатков, определяющих структуру и функции белковой молекулы. В данной РНК заключен план построения молекулы полипептида. т-РНК – ее роль состоит в присоединении молекулы аминокислоты и транспортировке ее к месту синтеза белка. р-РНК – соединяется с белком и образует особые органоиды – рибосомы, на которых и осуществляется сборка белковых молекул в клетке любого живого организма.

Какие свойства живого определяются непосредственно строением и функциями нуклеиновых кислот?

Наследственность, изменчивость, размножение

Вопросы для повторения и задания

1. Что такое нуклеиновые кислоты? Почему они получили такое название?

Нуклеиновые кислоты – это биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. От лат. «нуклеос» - ядро, так как эти кислоты располагаются, или синтезируются в ядре, или у прокариот функцию ядерной информации выполняет нуклеоид (ДНК илиРНК).

2. Какие типы нуклеиновых кислот вы знаете?

ДНК, РНК: и-РНК, т-РНК, р-РНК.

4. Назовите функции ДНК. Как взаимосвязаны строение и функции ДНК?

Хранение и передача наследственной информации – располагается ДНК строго в ядре.

Молекула ДНК способна к самовоспроизведению путем удвоения. Под действием ферментов двойная спираль ДНК раскручивается, связи между азотистыми основаниями разрываются.

В ДНК заключена информация о первичной структуре всех белков, необходимых организму. Эта информация записана в линейной последовательности нуклеотидов.

Так как белки играют первостепенную роль в жизнедеятельности организма, участвуя в строении, развитии, обмене веществ, то можно утверждать, ДНК хранит информацию об организме.

5. Какие виды РНК существуют в клетке, где они синтезируются? Перечислите их функции.

и-РНК, т-РНК, р-РНК.

и-РНК – синтезируется в ядре на матрице ДНК, является основой для синтеза белка.

т-РНК – транспорт аминокислот к месту синтеза белка – к рибосомам.

р-РНК – синтезируется в ядрышках ядра, и образует сами рибосомы клетки.

Все виды РНК синтезируются на матрице ДНК.

6. Достаточно ли знать, какой моносахарид входит в состав нуклеотидов, чтобы понять, о какой нуклеиновой кислоте идёт речь?

Да, в состав РНК входит рибоза.

В состав ДНК входи дезоксирибоза.

Виды РНК не возможно будет по одному моносахариду распознать.

7. Фрагмент одной цепи ДНК имеет следующий состав: А-Г-Ц-Г-Ц-Ц-Ц-Т-А-. Используя принцип комплементарности достройте вторую цепь.

А-Г-Ц-Г-Ц-Ц-Ц-Т-А

Т-Ц-Г-Ц-Г- Г-Г-А-Т

Подумайте! Вспомните!

1. Почему в клетках существует три вида молекул РНК, но только один вид ДНК?

ДНК – самая крупная молекула, из ядра выйти не может, поры маловаты. РНК мелкие молекулы, каждая выполняет свою функцию, обеспечивая различные функции в клетке, одновременно работая. На матрице ДНК одновременно может синтезироваться множество видов РНК, и все они идут выполнять свои функции.

3. Какие виды РНК будут одинаковы у всех организмов? Какой вид РНК обладает максимальной изменчивостью? Объясните свою точку зрения.

и-РНК и т-РНК будет у всех организмов одинаковая, так как биосинтез белка идет по единому механизму, а т-РНК переносит одни и те же 20 аминокислот. р-РНК может быть иной.

Вопрос 1. Что такое нуклеиновые кислоты?

Нуклеиновые кислоты получили свое название в связи с тем, что впервые были обна­ружены в клеточном ядре (лат. nucleus — яд­ро). Позже оказалось, что они присутствуют также в цитоплазме, пластидах и митохондри­ях. По химическому составу нуклеиновые кис­лоты — гетерополимеры, состоящие из нукле­отидов, соединенных между собой особым типом химической связи (фосфодиэфирная связь). Каждый нуклеотид, в свою очередь, со­стоит из трех частей: моносахарида-пентозы и связанных с ним азотистого основания и фос­форной кислоты.

Вопрос 2. Какие типы нуклеиновых кислот вы знаете?

Принято выделять два типа нуклеино­вых кислот — рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Оба этих типа содержатся во всех жи­вых клетках. Исключение составляют вирусы, обладающие либо только ДНК, либо только РНК.

Вопрос 3. Чем различается строение молекул ДНК и РНК?

Нуклеотиды, образующие молекулы ДНК и РНК, сходны по строению. Однако в нуклеоти­дах РНК моносахаридом является рибоза, а в нуклеотидах ДНК — дезоксирибоза. Кроме то­го, различается набор азотистых оснований. Три из них (аденин, гуанин, цитозин) пред­ставлены в обоих типах нуклеиновых кислот; четвертым в ДНК является тимин, в РНК — урацил.

Нуклеиновые кислоты отличаются по об­щей структуре: ДНК представляет собой комп­лементарную двуцепочечную молекулу (аде­нин всегда стоит напротив тимина, гуанин — напротив цитозина), РНК — одноцепочечную. Содержание ДНК в клетках относительно по­стоянно; содержание РНК может варьировать в зависимости от интенсивности синтеза бел­ка. Все молекулы ДНК в принципе сходны между собой по строению и выполняемым функциям, а среди РНК выделяют несколько групп.

Вопрос 4. Назовите функции ДНК.

Выделяют три основные функции ДНК.

Хранение наследственной информа­ции. Порядок нуклеотидов определяет первич­ную структуру белков. Первичная структура, в свою очередь, обуславливает свойства бел­ков, а следовательно, особенности строения и функционирования клеток. Таким образом, в ДНК закодирована информация обо всех свойствах клеток, тканей и органов. Участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру одной белковой цепи, называют ге­ном.

Передача наследственной информа­ции следующему поколению клеток. Эта функция осуществляется благодаря способ­ности ДНК к удвоению (редупликации). После деления в каждую дочернюю клетку попада­ет одна из двух идентичных молекул ДНК, являющихся точной копией материнской ДНК.

Передача наследственной информа­ции из ядра в цитоплазму. Почти вся ДНК находится в ядре; синтез же белка происходит в цитоплазме клетки. Соответственно, необхо­дим посредник, передающий описание первич­ной структуры белка от ДНК к рибосоме. В ро­ли такого посредника выступает информаци­онная РНК, которая синтезируется на одной из цепей ДНК, копируя по принципу компле­ментарности последовательность нуклеотидов определенного гена.

Вопрос 5. Какие виды РНК существуют в клет­ке, где они синтезируются? Перечислите их функ­ции.

В зависимости от строения и выполняемой функции выделяют три вида РНК. Все они синтезируются в ядре, используя в качестве матрицы ДНК. Готовые молекулы РНК пере­ходят в цитоплазму.

Информационная, или матричная, РНК (иРНК, мРНК) переносит информацию о первичной структуре белка от ДНК к рибо­соме. Количество типов иРНК примерно соот­ветствует числу генов (у человека — около 30-40 тыс.).

Транспортная РНК (тРНК) в основном находится в цитоплазме клетки. Функция тРНК состоит в том, чтобы переносить амино­кислоты к рибосоме, где они включаются в синтезируемую белковую цепь.

Рибосомалъная РНК (рРНК) — самая «весомая» группа (до 80% от общего количе­ства РНК в клетке), однако наименее разно­образная: в каждой клетке присутствует не более четырех ее типов. Вместе с белками рРНК входит в состав рибосом — органоидов, синтезирующих белок. Масса синтезируемой в ядре рРНК настолько велика, что области ее образования под микроскопом выглядят более плотными и темными (ядрышки в яд­ре).

Относят к гетерополимерам?

Что является мономером нуклеиновых кислот?

Какие функции нуклеиновых кислот вам известны?

Какие свойства живого определяются непосредственно строением и функциями нуклеиновых кислот?

В 1868 г. швейцарский врач и биохимик Иоганн Фридрих Мишер выделил из ядер погибших лейкоцитов вещество, обладающее кислыми свойствами. Учёный назвал это вещество нуклеином (от лат. nucleus – ядро), считая, что оно содержится только в ядрах клеток. Позднее эти органические соединения были обнаружены также в цитоплазме, митохондриях, пластидах, но данное им название – нуклеиновые кислоты – сохранилось.

Значение нуклеиновых кислот в клетке чрезвычайно велико. Особенность их строения позволяет им выполнять функции хранения, реализации и передачи наследственной информации, т. е. практически определять основные свойства живого. Поэтому изучение структуры нуклеиновых кислот очень важно для понимания принципов функционирования живых организмов.

Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК), присутствующие во всех клетках. Исключением являются вирусы – неклеточная форма жизни, одни из которых содержат исключительно РНК, а другие – только ДНК.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). В середине XX в., когда роль ДНК в передаче признаков из поколения в поколение уже была доказана, структура и организация этих биополимеров была окончательно ещё неясна. Было известно, что молекулы ДНК состоят из мономеров – нуклеотидов, каждый из которых содержит остаток фосфорной кислоты, сахар – дезоксирибозу и одно из четырёх азотистых оснований – аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) или цитозин (Ц); т. е. существует четыре типа нуклеотидов (рис. 25). Но вопрос о том, есть ли какая – нибудь закономерность в расположении этих мономеров в цепи ДНК, оставался открытым.

В начале 50-х гг. XX в. профессор биохимии Колумбийского университета Эрвин Чаргафф определил состав ДНК с гораздо большей точностью по сравнению с предыдущими исследованиями. Он обнаружил, что содержание четырёх типов оснований в ДНК вовсе не соответствует соотношению 1:1:1:1, как предполагали ранее. Особенно поразило исследователя то, что количество аденина (А) всегда было равно количеству тимина (Т), а содержание гуанина (Г) всегда было равно содержанию цитозина (Ц). Это не могло быть простым совпадением. Например, в ДНК человека оказалось 30 % А, 30 % Т, 20 % Г и 20 % Ц. Причём выяснилось, что состав ДНК клеток качественно и количественно неодинаков у разных организмов, но идентичен в органах и тканях одного и того же организма. Это ещё раз подтверждало, что именно ДНК является химической основой наследственности.

Рис. 25. Общая формула нуклеотида (А) и четыре типа нуклеотидов ДНК (Б)

Эта закономерность соотношения количества аденина и тимина (А–Т) и гуанина и цитозина (Г–Ц) получила название правило Чаргаффа и послужила ключом к разгадке структуры ДНК.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК). РНК, так же как и ДНК, является биополимером, состоящим из четырёх типов мономеров – нуклеотидов (рис. 28). Нуклеотиды ДНК и РНК очень похожи, хотя и нетождественны. Мономеры РНК содержат остаток фосфорной кислоты, сахар – рибозу и азотистое основание. Причём три азотистых основания такие же, как и в ДНК, – аденин (А), гуанин (Г) и цитозин (Ц), а вместо тимина (Т) в РНК присутствует близкое ему по строению азотистое основание урацил (У).

РНК отличается от ДНК не только по строению нуклеотидов. Существует ещё ряд особенностей, характеризующих этот тип нуклеиновых кислот.

РНК – это одноцепочечная молекула .

Двухцепочечная РНК обнаружена только у некоторых РНК-содержащих вирусов, где она выполняет функцию хранения генетической информации. Сходство строения ДНК и двухцепочечной РНК определяет и сходство функций.

Рис. 28. Структура РНК (Р – рибоза, Ф – фосфатная группа, А, У, Г, Ц – азотистые основания)

Ещё в 1941 г. несколько исследователей независимо друг от друга обнаружили, что особенно богаты РНК клетки, синтезирующие большое количество белка. Это наблюдение позволило предположить, что основной функцией РНК является участие в синтезе белка. В дальнейшем эта гипотеза полностью подтвердилась. Более того, оказалось, что для синтеза белковой молекулы требуется несколько видов РНК.

В зависимости от строения и конкретной выполняемой функции различают три основных вида РНК .

Транспортная РНК (тРНК ) в основном находится в цитоплазме клетки. Небольшие по размеру, состоящие всего из 75–90 нуклеотидов, молекулы тРНК составляют не более 15 % от общего количества РНК в клетке. Функция тРНК – перенос аминокислот к месту синтеза белка в рибосому.

Рибосомальная РНК (рРНК ), связываясь с определёнными белками, образует рибосомы – органоиды, обеспечивающие синтез всех клеточных белков. Молекулы рРНК состоят из 3–5 тыс. нуклеотидов. Среди всех видов РНК в клетке рРНК составляет подавляющую часть – около 80 %.

Информационная (иРНК ), или матричная РНК (мРНК ), переносит информацию о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка в цитоплазме – к рибосоме. Каждая молекула иРНК соответствует определённому участку ДНК, кодирующему структуру одной белковой молекулы. Поэтому для каждого из тысяч синтезируемых клеткой белков существует своя специфическая иРНК. Размеры иРНК варьируют от 300 до 30 тыс. нуклеотидов. От общей массы РНК в клетке иРНК составляет 3–5 %.

Все виды РНК синтезируются на ДНК, которая служит своего рода матрицей для создания этих полинуклеотидов.

Вопросы для повторения и задания

1. Что такое нуклеиновые кислоты? Почему они получили такое название?

2. Какие типы нуклеиновых кислот вы знаете?

3. Самостоятельно выберите критерии и сравните строение молекул ДНК и РНК. Представьте материал сравнения в виде таблицы.

4. Назовите функции ДНК. Как взаимосвязаны строение и функции ДНК?

5. Какие виды РНК существуют в клетке, где они синтезируются? Перечислите их функции.

6. Достаточно ли знать, какой моносахарид входит в состав нуклеотидов, чтобы понять, о какой нуклеиновой кислоте идёт речь?

7. Фрагмент одной цепи ДНК имеет следующий состав: А–Г–Ц–Г–Ц–Ц–Ц–Т–А–. Используя принцип комплементарности достройте вторую цепь.

Подумайте! Выполните!

1. Почему в клетках существует три вида молекул РНК, но только один вид ДНК?

2. Чем молекула ДНК как полимер отличается от молекулы белка?

3. Какие виды РНК будут одинаковы у всех организмов? Какой вид РНК обладает максимальной изменчивостью? Объясните свою точку зрения.

Работа с компьютером

Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.

<<< Назад

Вперед >>>