Нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК. Нуклеиновые кислоты: история исследования, описание

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.

Нуклеиновые кислоты - это высокомолекулярные органические соединения, имеющие первостепенное биологическое значение. Впервые они были обнаружены в ядре клеток (в конце XIX в.), отсюда и получили соответствующее название (нуклеус - ядро). Нуклеиновые кислоты хранят и передают наследственную информацию.

Существует два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) -и рибонуклеиновая кислота (РНК). Основное местоположение ДНК - ядро клетки. ДНК обнаружена также в некоторых органоидах (пластиды, митохондрии, центриоли). РНК встречаются в ядрышках, в рибосомах и цитоплазмеклеток.

Молекула ДНК состоит из двух спирально закру ченных друг возле друга нитей. Ее мономерами служат нуклеотиды. Каждый нуклеотид - химическое соединение, состоящее из трех веществ: азотистого основания, пятиатомного сахара дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. Существуют четыре вида азотистых оснований: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц), которые в молекуле ДНК образуют четыре вида нуклеотидов: адениловый, тимидиловый, гуаниловый и цитидиловый.

Схема строения нуклеотида

Азотистые основания в молекуле ДНК соединены между собой неодинаковым количеством водородных связей. Аденин - тимин соответствуют друг другу по пространственной конфигурации и образуют две водородные связи. Точно так же соответствуют по своей конфигурации молекулы гуанина и цитозина, они соединяются тремя водородными связями. Способность к избирательному взаимодействию аденина с тимином, а гуанина с цитозином, основанная на особенностях расположения в пространстве атомов этих молекул, называется комплементарностью (дополнительностью). В полинуклеотидной цепочке соседние нуклеотиды связаны между собой через сахар (дезоксирибозу) и остаток фосфорной кислоты. В молекуле ДНК последовательно соединены многие тысячи нуклеотидов. Молекулярная масса этого соединения достигает десятков и сотен миллионов.

ДНК называют веществом наследственности. Биологическая наследственная информация зашифрована (закодирована) в молекулах ДНК с помощью химического кода. В клетках всех живых существ один и тот же код. В его основе лежит последовательность соединения в нитях ДНК четырех азотистых оснований: А, Т, Г, Ц. Различные комбинации трех смежных нуклеотидов образуют триплеты называемые кодонами. Последовательность кодонов в нити ДНК в свою очередь определяет (кодирует) последовательность расположения аминокислот в полипептидной белковой цепи. Для каждой из 20 аминокислот, из которых клетки строят все без исключения белки данного организма, существует свой специфический кодон, причем соседние триплеты не перекрываются: в процессе считывания информации с молекулы ДНК азотистые основания одного кодона никогда не включаются в состав другого-считывается тройка тех нуклеотидов и в той последовательности, в какой они представлены в данном конкретном кодоне. Каждому триплету соответствует одна из 20 аминокислот.

Из четырех азотистых оснований (Г, Ц, А, Т) в каждый триплет входят только три в различном сочетании:

Г-А-Т, Ц-Г-А, А-Ц-Т, Г-Ц-Г, Т-Ц-Т и т. д. Таких неповторяющихся сочетаний может быть 4х4х4=64, а число аминокислот равно 20.

В результате некоторые аминокислоты кодируются несколькими триплетами. Эта избыточность кода имеет большое значение для повышения надежности передачи генетической информации. Например, аминокислоте аргинину соответствуют триплеты ГЦА, ГЦГ, ГЦТ, ГЦЦ. Понятно, что случайная замена третьего нуклеотида в этих триплетах никак не отразится на структуре синтезируемого белка. В приведенной ниже схеме условно показана последовательность пяти триплетов-кодонов на небольшом участке нити ДНК. Чередование отдельных нуклеотидов в одной нити ДНК может варьировать как угодно, но последовательность их в другой нити должна быть комплементарна ей, например:

1-я нить ГАТ____ ЦГА____АЦТ____ГЦГ____ТЦТ и т.д.

2-я нить ЦТА____ГЦТ____ТГА____ЦГЦ____ АГА и т. д.

Клетка обладает необходимым механизмом самоудвоения (ауторепродукции) генетического кода. Процесс самоудвоения идет поэтапно: вначале с помощью ферментов разрываются водородные связи между азотистыми основаниями. В результате этого одна нить ДНК отходит от другой, затем каждая из них синтезирует новую путем присоединения комплементарных нуклеотидов, находящихся в цитоплазме. Поскольку каждое из оснований в нуклеотидах может присоединить другое основание только комплементарное себе, то воспроизводится точная копия "материнской" молекулы ДНК. Иными словами, каждая нить ДНК служит матрицей, а ее удвоение называется матричным синтезом. Матричный синтез напоминает отливку на матрице монет, медалей, типографского шрифта и т. п., при котором затвердевшая отливка должна быть точной копией исходной формы. Поэтому в живых клетках в результате удвоения новые молекулы ДНК имеют ту же структуру, что и первоначальные: одна нить была исходной, а вторая собрана заново.

Так как новые молекулы ДНК имеют ту же структуру, что и исходные, в дочерних клетках сохраняется та же наследственная информация. Однако в случае перестановки или замены нуклеотидов на другие либо полного их выпадения в любом участке ДНК возникшее искажение будет в точности скопировано в дочерних молекулах ДНК. В этом и заключается молекулярный механизм изменчивости: любое искажение наследственной информации на участке ДНК в процессе самокопирования будет передаваться от клетки к клетке, из поколения в поколение

Другое важное свойство молекул ДНК - способность синтезировать на отдельных участках разъединенных нитей рибонуклеиновые кислоты. Для этого используются ферменты (РНК-полимераза) и требуются за

Траты энергии. ДНК передает на нить РНК свой порядок чередования нуклеотидов по принципу матричного синтеза. Этот процесс называетсятранскрипцией РНК-однонитевая молекула, она значительно короче ДНК. Каждый нуклеотид в ней состоит из пятиатомного сахара рибозы, остатков фосфорной кислоты и азотистого основания. Их здесь также четыре: аденин, гуанин, цитозин, но вместо тимина присутствует близкий ему по строению урацил (У), комплементарный аденину.

Схема строения рибонуклеотида

Выделяют РНК информационную (иРНК), транспортную (тРНК) и рибосомную (рРНК). При этом иРНК снимает информацию с участка молекулы ДНК и затем мигрирует к рибосомам, расположенным в цитоплазме клетки, а тРНК доставляет аминокислотные остатки к рибосомам. Нить тРНК короткая и состоит всего лишь из 70-80 нуклеотидов. Один из участков тРНК содержит триплет, к которому присоединяется одна из 20 аминокислот. Для каждой аминокислоты имеется своя тРНК. Присоединение аминокислоты активируется специфическим ферментом, благодаря чему тРНК "узнает" ту или иную аминокислоту. Второй участок тРНК имеет триплет, комплементарный одному из триплетов иРНК; этот триплет на тРНК называется антикодоном. В конечном счете аминокислота занимает свое место в полипеп-тидной цепочке в соответствии с информацией на иРНК, которая распознается благодаря комплементарности антикодона тРНК кодону иРНК.

РРНК входит в состав рибосом, образуя с белками рибосомные тельца, являющиеся местом синтеза белка. Она вступает также в связь с иРНК, и этот комплекс осуществляет синтез белка.

Сравнительная характеристика ДНК и РНК (Т.Л. Богданова. Биология. Задания и упражнения. Пособие для поступающих в ВУЗы. М.,1991)

Нуклеиновые кислоты играют важную роль в клетке, обеспечивая ее жизнедеятельность и размножение. Эти свойства дают возможность назвать их вторыми по важности биологическими молекулами после белков. Многие исследователи даже выносят ДНК и РНК на первое место, подразумевая их главное значение в развитии жизни. Тем не менее, им суждено занять второе место после белков, потому как основой жизни является как раз полипетидная молекула.

Нуклеиновые кислоты - это другой уровень жизни, гораздо более сложный и интересный из-за того, что каждый вид молекулы выполняет специфическую для нее работу. В этом следует разобраться подробнее.

Понятие о нуклеиновых кислотах

Все нуклеиновые и РНК) представляют собой биологические гетерогенные полимеры, которые различаются по числу цепей. ДНК представляет собой двухцепочечную полимерную молекулу, которая содержит в себе генетическую информацию эукариотических организмов. Кольцевые молекулы ДНК могут содержать наследственную информацию некоторых вирусов. Это HIV и аденовирусы. Также существует 2 особых вида ДНК: митохондриальная и пластидная (находится в хлоропластах).

РНК же имеет намного больше видов, что обусловлено различными функциями нуклеиновой кислоты. Существует ядерная РНК, которая содержит наследственную информацию бактерий и большинства вирусов, матричная (или информационная РНК), рибосомальная и транспортная. Все они участвуют либо в хранении либо в экспрессии генов. Однако в том, какие функции в клетке выполняют нуклеиновые кислоты, следует разобраться более детально.

Двуспиральная молекула ДНК

Такой тип ДНК - это совершенная система хранения наследственной информации. Двуспиральная молекула ДНК представляет собой одну молекулу, состоящую из гетерогенных мономеров. Их задачей является образование водородных связей между нуклеотидами другой цепочки. Сам состоит из азотистого основания, остатка ортофосфата и пятиуглеродного моносахарида дезоксирибозы. В зависимости от того, какой тип азотистого основания лежит в основе определенного мономера ДНК, он имеет свое название. Виды мономеров ДНК:

• дезоксирибоза с остатком ортофосфата и адениловым азотистым основанием;
• тимидиновое азотистое основание с дезоксирибозой и остатком ортофосфата;
• цитозиновое азотистое основание, десоксирибоза и остаток ортофосфата;
• ортофосфат с дезоксирибозой и гуаниновым азотистым остатком.

На письме для упрощения схемы адениловый остаток обозначается как «А», гуаниновый - «Г», тимидиновый - «Т», а цитозиновый - «Ц». Важно, что генетическая информация передается с двухцепочечной молекулы ДНК на информационную РНК. Отличий у нее немного: здесь в качестве углеводного остатка имеется не дезоксирибоза, а рибоза, а вместо тимидилового азотистого основания в РНК встречается урациловый.

Строение и функции ДНК

ДНК построена по принципу биологического полимера, в котором одна цепочка создается заранее по заданному шаблону в зависимости от генетической информации родительской клетки. Нуклеодиды ДНК здесь соединены ковалентными связями. Затем, по к нуклеотидам одноцепочечной молекулы присоединяются другие нуклеотиды. Если в одноцепочечной молекуле начало представлено нуклеотидом аденином, то во второй (комплементарной) цепи ему будет соответствовать тимин. Гуанину комплементарен цитозин. Таким образом строится двухцепочечная молекула ДНК. Она находится в ядре и хранит наследственную информацию, которая закодирована кодонами - триплетами нуклеотидов. Функции двухцепочечной ДНК:

• сохранение полученной от родительской клетки наследственной информации;
• экспрессия генов;
• препятствие изменениям мутационного характера.

Значение белков и нуклеиновых кислот

Считается, что функции белков и нуклеиновых кислот общие, а именно: они участвуют в экспрессии генов. Сама нуклеиновая кислота - это их место хранения, а белок - это конечный результат считывания информации с гена. Сам ген представляет собой участок одной целостной молекулы ДНК, упакованной в хромосому, в котором посредством нуклеотидов записана информация о структуре определенного белка. Один ген кодирует последовательность аминокислот только одного белка. Именно белок будет реализовывать наследственную информацию.

Классификация видов РНК

Функции нуклеиновых кислот в клетке весьма разнообразны. И наиболее многочисленны они в случае с РНК. Однако данная полифункциональность все равно относительная, потому как один тип РНК отвечает за одну из функций. При этом существуют следующие типы РНК:

• ядерная РНК вирусов и бактерий;
• матричная (информационная) РНК;
• рибосомальная РНК;
• матричная РНК плазмид (хлоропластов);
• рибосомальная РНК хлоропластов;
• митохондриальная рибосомальная РНК;
• митохондриальная матричная РНК;
• транспортная РНК.

Функции РНК

В данной классификации содержится несколько типов РНК, которые разделены в зависимости от места нахождения. Однако в функциональном плане их следует разделить всего на 4 вида: на ядерную, информационную, рибосомальную и транспортную. Функцией рибосомальной РНК является синтез белка на основе нуклеотидной последовательности информационной РНК. При этом аминокислоты «подносятся» к рибосомальной РНК, «нанизанной» на информационную РНК, посредством транспортной рибонуклеиновой кислоты. Так протекает синтез у любого организма, у которого есть рибосомы. Структура и функции нуклеиновых кислот обеспечивают и сохранение генетического материала, и создание процессов синтеза белка.

Митохондриальные нуклеиновые кислоты

Если о том, какие функции в клетке выполняют нуклеиновые кислоты, расположенные в ядре или цитоплазме, практически все известно, то о митохондриальной и пластидной ДНК информации пока мало. Здесь же найдены специфические рибосомальные, а также матричные РНК. Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК присутствуют здесь даже у самых аутотрофных организмов.

Возможно, нуклеиновая кислота попала в клетку путем симбиогенеза. Данный путь учеными рассматривается как наиболее вероятный из-за отсутствия альтернативных объяснений. Процесс рассматривается так: внутрь клетки в определенный период попала симбиотная авторофная бактерия. Как результат, эта живет внутри клетки и обеспечивает ее энергией, но постепенно деградирует.

На начальных этапах эволюционного развития, вероятно, симбионтная безъядерная бактерия двигала мутационными процессами в ядре клетки-хозяина. Это позволило генам, ответственным за сохранение информации о структуре митохондриальных белков, внедриться в нуклеиновую кислоту клетки-хозяина. Однако пока о том, какие функции в клетке выполняют нуклеиновые кислоты митохондриального происхождения, информации не так много.

Вероятно, в митохондриях синтезируется часть белков, структура которых пока не кодируется ядерной ДНК или РНК хозяина. Также вероятно, что собственный механизм белкового синтеза нужен клетке только потому, что многие белки, синтезированные в цитоплазме, не могут попасть сквозь двойную мембрану митохондрии. При этом данные органеллы вырабатывают энергию, а потому в случае наличия канала или специфического переносчика для белка ее хватит для движения молекул и против градиента концентрации.

Плазмидные ДНК и РНК

В пластидах (хлоропластах) также существует своя ДНК, которая, вероятно, отвечает за реализацию аналогичных функций, как и в случае с митохондриальными нуклеиновыми кислотами. Здесь также находится и своя рибосомальная, матричная и транспортная РНК. Причем пластиды, если судить по количеству мембран, а не по числу биохимических реакций, устроены сложнее. Случается, что многие пластиды имеют по 4 слоя мембран, что объясняется учеными по-разному.

Очевидно одно: функции нуклеиновых кислот в клетке изучены пока недостаточно полно. Неизвестно, какое значение имеет митохондриальная белок синтезирующая система и аналогичная ей хлоропластическая. Также не совсем ясно, зачем клеткам нужны митохондриальные нуклеиновые кислоты, если белки (очевидно, не все) уже закодированы в ядерной ДНК (или РНК, в зависимости от организма). Хотя некоторые факты вынуждают согласиться, что белок синтезирующая система митохондрий и хлоропластов отвечает за такие же функции, что и ДНК ядра и РНК цитоплазмы. Они сохраняют наследственную информацию, воспроизводят ее и передают дочерним клеткам.

Резюме

Важно разбираться в том, какие функции в клетке выполняют нуклеиновые кислоты ядерного, пластидного и митохондриального происхождения. Это открывает множество перспектив для науки, ведь симбионтный механизм, согласно которому появились многие автотрофные организмы, можно воспроизвести и сегодня. Это позволит получить новый тип клетки, возможно, даже человеческой. Хотя о перспективах внедрения многомембранных пластидных органелл в клетки говорить пока рано.

Гораздо важнее понимать, что в клетке нуклеиновые кислоты отвечают практически за все процессы. Это и и сохранение информации о структуре клетки. Причем гораздо важнее то, что нуклеиновые кислоты выполняют функцию передачи наследственного материала от родительских клеток к дочерним. Это гарантирует дальнейшее развитие эволюционных процессов.

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 ).

Природные высокомолекулярные соединения (полинуклеотиды), которые являются важнейшими компонентами биохимических процессов, протекающих в организме человека, играют роль в хранении и передачи наследственной информации.

Строение нуклеиновых кислот.

Строение нуклеиновых кислот может объяснить гидролиз . При полном гидролизе образуется смесь пиримидиновых и пуриновых оснований, моносахарид и фосфорная кислота.

В качестве моносахарида выступает одно из этих соединений:

При частичном гидролизе продуктом реакции является смесь нуклеотидов, молекулы которых построены из остатков фосфорной кислоты, моносахарида и азотистого основания. Остаток фосфорной кислоты связан с 3-м или 5-ым атомом углерода , а остаток основания - с 1ым атомом углерода моносахарида. Общая формула нуклеотидов:

Где Х = ОН для рибонуклеотидов, построенных на основе рибозы или Х = Н - для дезаксирибонуклеотидов, построенных на основе дезоксирибозы. В зависимости от типа азотистого основания различают пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды.

Нуклеотид - основная структурная единица нуклеиновых кислот - мономер.

Если в состав входят рибонуклеотиды, то такую кислоту называют рибонуклеиновой (РНК ), а если из дезоксирибонуклеотидов, то - дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК) .

В РНК входят: аденин, гуанин, цитозин и урацил.

В ДНК входят основания, содержащие аденин, гуанин, цитозин и тимин.

Свойства ДНК и РНК зависят от последовательности оснований в полинуклеотидной цепи и пространственным строением цепи. Именно последовательность несет в себе уникальный генетический код, а остатки моносахаридов и фосфорной кислоты играют структурную роль.

При частичном гидролизе отщепляется остаток фосфорной кислоты и образуются нуклеозиды, которые состоят из остатков пуринового или пиримидинового основания, связанного с остатком миносахарида:

В молекуле РНК и ДНК нуклеотиды связаны в единую полимерную цепь:

Пространственная структура полинуклеотидных цепей была определена рентгеноструктурным анализом. В 1953 года Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили модель трехмерной структуры ДНК , принципы которой заключались в следующем:

1. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль с состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных в противоположные стороны.

2. Пуриновые и пиримидиновые основания расположены внутри спирали, а остатки фосфора и дезоксирибозы - снаружи.

3. На полный виток спираль приходится 10 нуклеотидов.

4. Две спирали связаны друг с другом водородными связями. Важное свойство ДНК - избирательность в образовании связей - комплементарность . Причем размеры оснований подобраны так, что тимин связывается только с аденином, а цитозин - с гуанином.

Две спирали в ДНК комплементарны друг другу. Последовательность оснований в одной цепи определяет последовательность в соседней.

В каждой паре оснований, связанных друг с другом водородными связями, одно основания является пуриновым, в другом - пиримидиновым.

Двухспиральная молекула ДНК с комплементарными полинуклеотидными цепями обеспечивает возможность самоудвоения (репликация ).

Перед удвоением водородные связи разрываются, и 2 цепи расходятся и раскручиваются. И после этого каждая цепь становится матрицей для образованием новой комплементарной цепи. Синтез новых цепей происходит при участии ДНК- полимеразы.

Молекула РНК состоит из одной полинуклеотидной цепи, которая не имеет строго определенной последовательности. Она может «складываться» сама на себя и образовывать отдельные двухцепочечные участки с водородными связями между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями:

Биологическая роль нуклеиновых кислот.

ДНК - главная молекула в живом организме. Она хранит генетическую информацию, которая передается из поколения в поколение. В ДНК закодирован состав всех белков организма.

В качестве посредника между ДНК и местом синтеза белка выступает РНК, где происходит 2 процесса:

1. Информационная или матричная РНК (мРНК) считывает и переносит генетическую информацию от ДРК к рибосомам, где происходит синтез определенной структуры белка. Молекула мРНК под действием РНК -полимеразы синтезируется на отдельном участке одной из 2х цепей ДНК, причем последовательность в РНК строго комплементарная последовательности в ДНК :

2. Транспортная РНК (тРНК) переносит аминокислоты к рибосомам, где они соединяются пептидными связями в определенной последовательности.

3. Рибосомальная РНК (рРНК) участвует в синтезе белков в рибосомах.