Нуклеиновые кислоты.
Нуклеиновые кислоты - это природные высокомолекулярные соединения (полинуклеотиды), которые играют огромную роль в хранении и передаче наследственной информации в живых организиах.
Существует два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Эти биополимеры состоят из мономеров, называемых нуклеотидами.
Основное местоположение ДНК - ядро клетки. ДНК обнаружена также в некоторых органоидах (пластиды, митохондрии, центриоли). РНК встречаются в ядрышках, в рибосомах и цитоплазме клеток.
Молекула ДНК представляет собой структуру, состоящую из двух нитей, которые по всей длине соединены друг с другом водородными связями. Такую структуру называют двойной спиралью. Водородные связи возникают между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи. Эти основания составляют комплементарные пары (от лат. complementum - дополнение).
Характеристика ДНК.
1. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота)- линейный полимер, имеющий вид двойной спирали, образованной парой антипараллельных комплементарных цепей. Мономерами ДНК являются нуклеотиды.
2. Нуклеотиды ДНК состоят из пуриновых (А - аденин или Г - гуанин) или пиримидиновых (Т - тимин или Ц - цитозин) азотистых оснований, пятиуглеродного сахара- дезоксирибозы - и фосфатной группы.
3. Молекула ДНК имеет следующие параметры: ширина спирали около 2 нм, шаг, или полный оборот, спирали - 3,4 нм. В одном шаге содержится 10 комплементарных нуклеотидов.
4. Нуклеотиды в молекуле ДНК обращены друг к другу азотистыми основаниями и объединены парами в соответствии с правилами комплементарности: напротив аденина расположен тимин, напротив гуанина - цитозин. Пара АЛ1 соединена двумя водородными связями, а пара Г-Ц - тремя.
5. Остов цепей ДНК образован сахарофосфатными остатками.
6. Репликация ДНК- это процесс самоудвоения молекулы ДНК, осуществляемый под контролем ферментов.
На каждой из цепей, образовавшихся после разрыва водородных связей, при участии ДНК-полимеразы синтезируется дочерняя цепь ДНК. Материалом для синтеза служат свободные нуклеозид-фосфаты, имеющиеся в цитоплазме клеток.
7. Синтез дочерних молекул на соседних цепях идет с разной скоростью. На одной цепи новая молекула собирается непрерывно, на другой - с некоторым отставанием и фрагментарно. После завершения процесса фрагменты новых молекул ДНК сшиваются ферментом ДНК-лигазой. Так из одной молекулы ДНК возникают две, являющиеся точной копией друг друга и материнской молекулы. Такой способ репликации называется полуконсервативным.
8. Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской молекулы к дочерним, что и происходит при делении соматических клеток.
Характеристика РНК.
РНК- линейный полимер, состоящий из одной цепи нуклеотидов. В составе РНК тиминовый нуклеотид замещен на урациловый (У). Нуклеотиды РНК содержат пятиуглеродный сахар рибозу, одно из четырех азотистых оснований и остаток фосфорной кислоты.
Виды РНК:
Матричная, или информационная, РНК- синтезируется в ядре при участии фермента РНК- полимеразы. Комплементарна участку ДНК, на котором происходит синтез. Составляет 5% РНК клетки;
Рибосомная РНК- синтезируется в ядрышке и входит в состав рибосом. Составляет 85% РНК клетки;
Транспортная РНК (более 40 видов)- транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка. Имеет структуру клеверного листа и состоит из 70-90 нуклеотидов.
Дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислоты или ДНК и РНК, как и белки, являются биополимерами. Оба типа состоят из соединений мономеров – нуклеотидов. Нуклеотид – это самый малый элемент их структуры. Замена или повреждение одного такого мономера вызывает мутацию. Поэтому еще его называют единицей мутации. История открытия и изучения нуклеотидов неразрывно связана с исследованиями кислот.
Честь открытия молекулы ДНК принадлежит Иогану Ф. Мишеру. Произошло это событие в 1869 году в процессе изучения состава и функции клеток лейкоцитов. Выделив из гноя неизвестное вещество, он определил только химический состав и дал ему название. Предположить же какую революцию в науке произведет его открытие ученый не смог.
Долгое время обнаруженному веществу никто не придавал особого значения. Хотя интерес проявляли многие. Прорыв был сделан физиком У.Криком и биологом Д. Уотсоном после многолетних исследований. Именно они в 1953 году опубликовали статью, в которой предложили и доказали строение этой загадочной молекулы. Однообразные сочленения связаны между собой в гигантские закрученные спирали, содержащие целые базы данных наследственной информации. Над расшифровкой информации ученые бьются и в наши дни.
В отличие от своей предшественницы существование РНК предсказали. Изучая синтез белков, исследователи пришли к выводу, что есть некий посредник между ними и ДНК. И в середине 60-х годов ХХ века была обнаружена РНК. Мономеры РНК соединяются между собой в длинные однонитевые цепи.
Как устроены мономеры
Мономеры обеих кислот сходны по своему строению, в каждом из них по три компонента. Мономерами днк и рнк являются следующие компоненты: пятиуглеродный сахар, азотистое основание и остатки фосфорной кислоты. Все составляющие соединены между собой водородными связями. Несмотря на то, что днк и рнк содержат одни и те же химические элементы, они далеко не тождественны. Отличия в составе кислот грубо можно свести к отсутствию в ДНК одного атома кислорода в рибозе, что превращает его в дезоксирибозу, и к тому, что в состав одной входит тимин, а состав другой – урацил. Рибоза и дезоксирибоза также мало отличаются друг от друга, как тимин и урацил. Минимальные различия в строении, однако, наделяют молекулы отличными функциями.
ДНК–это устойчивая и прочная спираль, этим она отличается от РНК. У РНК молекулы закручиваются в клубки, образуют шпильки и иные причудливые формы. Она является не громоздкой, но и неустойчивой. По числу нуклеотидов в молекуле РНК можно подразделить на три вида, информационную, транспортную и рибосомальльную. Она является подвижной, способна накапливать энергию и передавать информацию. Слаженный дуэт этих двух нуклеиновых кислот обеспечивает функционирование всего живого на планете.
Функции и роль мономерных звеньев во всей этой феерии жизни достаточно велика. Каждый из них участвует в ней по-своему. Одни накапливают энергию в клетке, другие контролируют процесс обмена веществ, третьи выступают в роли катализаторов. Три последовательно соединенных нуклеотида образуют триплет. Сочетания триплетов несут в себе информацию о строении белковой клетки, и называются генами. Поэтому нуклеотид еще можно определить как некий информационный носитель.
Применение нуклеотидов
На протяжении всей своей истории человечество не расстается с надеждой найти эликсир молодости. Звенья цепей РНК и ДНК
В середине ХХ века обнаружили функции изолированных нитей ДНК вызывать регенерацию клеток. Сейчас уже разрабатываются косметические средства для омоложения кожи, содержащие «волшебные обрывки спирали».
Расшифровка наследственной информации, содержащейся в нуклеотидах, позволяет бороться с генетическими заболеваниями.
Скандально известные генетически модифицированные продукты также обязаны своим существованием знаниям о строении и свойствах звеньев ДНК.
Применение в медицине
Уже даже то немногое что мы знаем о строении ДНК позволяет применять эти знания на практике. Генная терапия применяется в медицине и основана на введении одного или нескольких нуклеотидов в пораженную клетку, с целью замещения поврежденного участка ДНК. Благодаря этой функции, клетка устраняет дефект и восстанавливает «правильную программу». Эта терапия дает надежду страдающим наследственными заболеваниями. Положительного результата добились впервые в 90-х годах прошлого столетия излечив наследственный иммунодефицит у маленькой девочки. Сейчас известно более 40 заболеваний, при которых она применяется. Проводятся эксперименты по лечению раковых опухолей. Перепрограммируя, при помощи маркированных генов, пораженные клетки и иммунную защиту организма, в половине случаев добиваются положительных результатов. Опухоль уменьшается вдвое. Нельзя сказать, что это успех, но это начало пути к нему. Этим методом пытаются вылечить не только онкологические заболевания, но и победить ВИЧ-инфекцию. Функции, которыми наделены нуклеотиды, активно применяются и в диагностических целях. Существует ряд методик для определения наличия патологических генов у пациентов и возможность мутаций.
Перспективы
Треть заболеваний человека имеют наследственную природу. Считается, что вызывают их повреждения функций хранилищ наследственной информации. Ожидается, что будут изучены причины повреждений и найдены способы их восстановления, что позволит распознавать болезни на ранней стадии и добиваться их полного излечения.
Уже более 20-ти лет существует международный проект «Геном человека». Ученые и исследователи всего мира выясняют последовательность соединения нуклеотидов в ДНК. Развитие новейших технологий позволит решить эту задачу в ближайшем будущем.
Человечество лишь слегка приоткрыло занавес тайны мироздания. Какая еще информация зашифрована в сочленениях ДНК и РНК. К чему могут привести нас эти знания. Даруют ли они нам сверхспособности или же уничтожат нас?
Нуклеиновые кислоты были открыты в 1868 г. швейцарским ученым Ф. Мишером.
В организмах существует несколько видов нуклеиновых кислот, которые встречаются в различных органоидах клетки – ядре, митохондриях, пластидах.
К нуклеиновым кислотам относятся ДНК, и-РНК, т-РНК, р-РНК
.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)
– линейный полимер, имеющий вид двойной спирали, образованной парой антипараллельных комплементарных (соответствующих друг другу по конфигурации) цепей. Пространственная структура молекулы ДНК была смоделирована американскими учеными Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком в 1953 г.
Мономерами ДНК являются нуклеотиды
.
Каждый нуклеотид
ДНК
состоит из пуринового (А – аденин или Г – гуанин) или пиримидинового (Т – тимин или Ц – цитозин) азотистого основания
, пятиуглеродного сахара
– дезоксирибозы и фосфатной группы
.
Нуклеотиды в молекуле ДНК обращены друг к другу азотистыми основаниями и объединены парами в соответствии с правилами комплементарности
: напротив аденина расположен тимин, напротив гуанина – цитозин. Пара А – Т соединена двумя водородными связями, а пара Г – Ц – тремя. При репликации (удвоении) молекулы ДНК водородные связи рвутся и цепи расходятся и на каждой из них синтезируется новая цепь ДНК. Остов цепей ДНК образован сахарофосфатными остатками.
Последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК определяет ее специфичность
, а также специфичность белков организма, которые кодируются этой последовательностью. Эти последовательности индивидуальны и для каждого вида организмов, и для отдельных особей.
Пример
:
дана последовательность нуклеотидов ДНК: ЦГА – ТТА – ЦАА.
На информационной РНК (и-РНК) будет синтезирована цепь ГЦУ – ААУ – ГУУ, в результате чего выстроится цепочка аминокислот: аланин – аспарагин – валин.
При замене нуклеотидов в одном из триплетов или их перестановке этот триплет будет кодировать другую аминокислоту, а, следовательно изменится и белок, кодируемый данным геном. Изменения в составе нуклеотидов или их последовательности называются мутацией
.
Рибонуклеиновая кислота (РНК)
– линейный полимер, состоящий из одной цепи нуклеотидов. В составе РНК тиминовый нуклеотид замещен на урациловый (У). Каждый нуклеотид РНК содержит пятиуглеродный сахар – рибозу, одно из четырех азотистых оснований и остаток фосфорной кислоты.
Синтезируются РНК в ядре. Процесс называется транскрипция
- это биосинтез молекул РНК на соответствующих участках ДНК; первый этап реализации генетической информации в клетке, в процессе которого последовательность нуклеотидов ДНК «переписывается» в нуклеотидную последовательность РНК.
Молекулы РНК формируются на матрице, которой служит одна из цепей ДНК, последовательность нуклеотидов в которой определяет порядок включения рибонуклеотидов по принципу комплементарности. РНК-полимераза, продвигаясь вдоль одной из цепей ДНК, соединяет нуклеотиды в том порядке, который определен матрицей. Образовавшиеся молекулы РНК называют транскриптами
.
Виды РНК.
Матричная
или информационная
РНК. Синтезируется в ядре при участии фермента РНК-полимеразы. Комплементарна участку ДНК, на котором происходит синтез. Ее функция – снятие информации с ДНК и передача ее к месту синтеза белка – на рибосомы. Составляет 5% РНК клетки.
Рибосомная РНК
– синтезируется в ядрышке и входит в состав рибосом. Составляет 85% РНК клетки.
Транспортная РНК
– транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка. Имеет форму клеверного листа и состоит из 70-90 нуклеотидов.
Аденозинтрифосфорная кислота – АТФ
– представляет собой нуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, в двух из которых запасается большое количество энергии. При отщеплении одного остатка фосфорной кислоты освобождается 40 кДж/моль энергии. Способность запасать такое количество энергии делает АТФ ее универсальным источником. Синтез АТФ происходит в основном в митохондриях.
Таблица. Функции нуклеотидов в клетке.
Таблица. Сравнительная характеристика ДНК и РНК.
Тематические задания.
Часть А
А1
. Мономерами ДНК и РНК являются
1) азотистые основания
2) фосфатные группы
3) аминокислоты
4) нуклеотиды
А2
. Функция информационной РНК:
1) удвоение информации
2) снятие информации с ДНК
3) транспорт аминокислот на рибосомы
4) хранение информации
А3
. Укажите вторую цепь ДНК, комплементарную первой: АТТ – ГЦЦ – ТТГ
1) УАА – ТГГ – ААЦ
3) УЦЦ – ГЦЦ – АЦГ
2) ТАА – ЦГГ – ААЦ
4) ТАА – УГГ – УУЦ
А4
. Подтверждением гипотезы, предполагающей, что ДНК является генетическим материалом клетки, служит:
1) количество нуклеотидов в молекуле
2) индивидуальность ДНК
3) соотношение азотистых оснований (А = Т, Г= Ц)
4) соотношение ДНК в гаметах и соматических клетках (1:2)
А5
. Молекула ДНК способна передавать информацию благодаря:
1) последовательности нуклеотидов
2) количеству нуклеотидов
3) способности к самоудвоению
4) спирализации молекулы
А6
. В каком случае правильно указан состав одного из нуклеотидов РНК
1) тимин – рибоза – фосфат
2) урацил – дезоксирибоза – фосфат
3) урацил – рибоза – фосфат
4) аденин – дезоксирибоза – фосфат
Часть В
В1
. Выберите признаки молекулы ДНК
1) Одноцепочная молекула
2) Нуклеотиды – АТУЦ
3) Нуклеотиды – АТГЦ
4) Углевод – рибоза
5) Углевод – дезоксирибоза
6) Способна к репликации
В2
. Выберите функции, характерные для молекул РНК эукариотических клеток
1) распределение наследственной информации
2) передача наследственной информации к месту синтеза белков
3) транспорт аминокислот к месту синтеза белков
4) инициирование репликации ДНК
5) формирование структуры рибосом
6) хранение наследственной информации
Часть С
С1
. Установление структуры ДНК позволило решить ряд проблем. Какие, по вашему мнению, это были проблемы и как они решились в результате этого открытия?
С2
. Сравните нуклеиновые кислоты по составу и свойствам.
В данной статье содержится информация об элементах всех нуклеиновых кислот, а именно ее мономерах. Тут вы найдете данные об их строении, разнообразии существующих видов и т. д.
Нуклеиновая кислота - что это
Самым важным компонентом любой растительной, животной, бактериальной и даже вирусной клетки является нуклеиновая кислота, которая несет ответственность за передачу, воспроизведение и сохранение информации наследственного типа. Биополимерные соединения - нуклеиновые кислоты - создаются кодировкой нуклеотидов. Рибонуклеиновая к-та (РНК) и дезоксирибонуклеиновая к-та (ДНК) - кислоты, принадлежащие к нуклеиновым. Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды 5 разновидностей, из них 3 подходят и для дизокси-, и для рибонуклеиновых кислот, а оставшиеся нуклеотиды отличны.
Разнообразие нуклеиновых кислот
ДНК и РНК являются представителями кислот нуклеинового класса, однако последняя рибонуклеиновая кислота, в соответствии с функциями, для которых она предназначена в клетке, может иметь различные названия, например: транспортная рибонуклеиновая к-та (тРНК) или информационная рибонуклеиновая к-та (иРНК). Однако этот пункт не влияет на особенности строения самой к-ты. Что представляет собой мономер нуклеиновых кислот? Ответом на этот вопрос будет перечисление элементов: рибозы и дезоксирибозы (виды сахаров), HPO3 кислоты, а точнее, ее остатков и в основаниях тимине (урациле) и аденине, гуанине и цитозине.
Мономеры
Мономерами нуклеиновых кислот являются три составные, как упоминалось ранее, - это моносахарид, обладатели гетероциклических свойств - азотистые основания и кислотный остаток HPO3. Составные виды мономеров нуклеиновых кислот - это пуринопроизводные вещества аденины (А) и гуанины (Г) и компоненты пиримидиновой природы: цитозины (Ц), тимины (Т) и урацил (У). Стоит также знать о существовании нетипичных оснований, представителями которых являются псевдоуридины и дигидроуридины.
Мономерами нуклеиновых кислот являются ответственные за жизненно важные функции вещества, присущие и прокариотическим организмам, и эукариотическим. Нуклеиновые кислоты классифицируют в соответствии с тем, каким моносахаридом представлена сама кислота. Рибозные к-ты представляются рибозой, а нуклеиновые к-ты, представленные дезоксирибозой, называют дезоксирибозными. Доминирующее отличие между цепями РНК и ДНК заключено в наличии либо тимина, либо урацила в цепи молекулы. ДНК несет в себе пиримидиновый тимин, а РНК - урацил. Эти два нуклеотида заменяются в данных кислотах и становятся комплементарными аденину.
Мономерами нуклеиновых кислот являются соединения, в основу которых заложена химическая связь - 3.5-фосфодиэфирная, которая образует линейные структуры, а целью ее является связывание пентозы в нуклеотиде. Данная конструкция нуклеиновых кислот позволяет на одном цепочном конце образовать свободную 3-OH группу и на противоположном окончании цепи расположиться группе 5-OH.
РНК и ДНК являются универсальными и уникальными для всех организмов. Это обусловлено их способностью к передаче и сохранению разнообразной информации, несущей в себе генетическую наследственность. Практически каждый живой организм несет в себе одновременно обе кислоты, базирующиеся как на моносахариде рибозе, так и на дезоксирибозе, и только вирусы - представители неклеточной жизненной формы - содержат в себе только одну форму нуклеиновой кислоты.
Пространственную модель молекулы ДНК в 1953 году предложили американские исследователи генетик Джеймс Уотсон (род. 1928) и физик Фрэнсис Крик (род. 1916). За выдающийся вклад в это открытие им была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 года.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) представляет собой биополимер, мономером которого является нуклеотид. В состав каждого нуклеотида входят остаток фосфорной кислоты, соединенный с сахаром дезоксирибозой, который, в свою очередь, соединен с азотистым основанием. Азотистых оснований в молекуле ДНК четыре вида: аденин, тимин, гуанин и цитозин.
Молекула ДНК состоит из двух длинных цепей, сплетенных между собой в виде спирали, чаще всего, правозакрученной. Исключение составляют вирусы, которые содержат одноцепочную ДНК.
Фосфорная кислота и сахар, которые входят в состав нуклеотидов, образуют вертикальную основу спирали. Азотистые основания располагаются перпендикулярно и образуют «мостики» между спиралями. Азотистые основания одной цепи соединяются с азотистыми основаниями другой цепи согласно принципу комплементарности, или соответствия.
Принцип комплементарности. В молекуле ДНК аденин соединяется только с тимином, гуанин – только с цитозином.
Азотистые основания оптимально соответствуют друг другу. Аденин и тимин соединяется двумя водородными связями, гуанин и цитозин – тремя. Поэтому на разрыв связи гуанин-цитозин требуется больше энергии. Одинаковые по размеру тимин и цитозин гораздо меньше аденина и гуанина. Пара тимин-цитозин была бы слишком мала, пора аденин-гуанин – слишком велика, и спираль ДНК искривилась бы.
Водородные связи непрочны. Они легко разрываются и так же легко восстанавливаются. Цепи двойной спирали под действием ферментов или при высокой температуре могут расходиться, как замок-молния.
5. Молекула рнк Рибонуклеиновая кислота (рнк)
Молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК) тоже является биополимером, который состоит из четырех типов мономеров – нуклеотидов. Каждый мономер молекулы РНК содержат остаток фосфорной кислоты, сахар рибозу и азотистое основание. Причем, три азотистых основания такие же, как в ДНК – аденин, гуанин и цитозин, но вместо тимина в РНК присутствует близкий ему по строению урацил. РНК – одноцепочечная молекула.
Количественное содержание молекул ДНК в клетках какого-либо вида практически постоянно, однако количество РНК может существенно меняться.
Виды рнк
В зависимости от строения и выполняемой функции различают три вида РНК.
1. Транспортная РНК (тРНК). Транспортные РНК в основном находятся в цитоплазме клетки. Они переносят аминокислоты к месту синтеза белка в рибосому.
2. Рибосомальная РНК (рРНК). Рибосомальная РНК связывается с определенными белками и образует рибосомы – органеллы, в которых происходит синтез белков.
3. Информационная РНК (иРНК), или матричная РНК (мРНК). Информационная РНК переносит информацию о структуре белка от ДНК рибосоме. Каждая молекула иРНК соответствует определенному участку ДНК, который кодирует структуру одной белковой молекулы. Поэтому для каждого из тысяч белков, которые синтезируются в клетке, имеется своя особенная иРНК.
