Нуклеиновые кислоты в биологии ℹ схема и особенности строения, функции, виды и типы, что представляет собой мономер нуклеиновых кислот, значение

Нуклеиновые кислоты в биологии ℹ схема и особенности строения, функции, виды и типы, что представляет собой мономер нуклеиновых кислот, значение

Глава V. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

§ 13. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ:

ФУНКЦИИ И СОСТАВ

Общие представления о нуклеиновых кислотах

Нуклеиновые кислоты – важнейшие биополимеры с относительной молекулярной массой, достигающей 5·10 9 . Они содержатся во всех без исключения живых организмах и являются не только хранителем и источником генетической информации, но и выполняют ряд других жизненно важных функций. Нуклеиновые кислоты – это полимеры, мономерными звеньями которых являются нуклеотиды.

Существует два различных типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК). ДНК представляет собой генетический материал большинства организмов. В клетках прокариот, кроме основной хромосомной ДНК, часто встречаются внехромосомные ДНК – плазмиды. В эукариотических клетках основная масса ДНК расположена в клеточном ядре, где она связана с белками в хромосомах. Клетки эукариот содержат ДНК также в митохондриях и хлоропластах.

Интересно знать! Молекулы ДНК – самые крупные молекулы. Молекула ДНК E.coli состоит примерно из 4000000 пар нуклеотидов, ее относительная масса равна 26000000000, а длина – 1,4 мм, что в 700 раз превышает размеры ее клетки. Молекулы ДНК эукариот могут достигать еще больших размеров, их длина может составлять несколько см, а относительная масса 10 10 -10 11 . Чтобы записать нуклеотидную последовательность ДНК человека, потребуется около 1000000 страниц.

Что же касается РНК, то по выполняемым ими функциям различают:

1. информационные РНК (иРНК) – в них записана информация о первичной структуре белка;

2. рибосомные РНК (рРНК) – входят в состав рибосом;

3. транспортные РНК (тРНК) – обеспечивают доставку аминокислот к месту синтеза белка.

В качестве генетического материала РНК входят в состав ряда вирусов. Например, вирусы, вызывающие такие опасные заболевания, как грипп и СПИД, являются РНК-содержащими.

Нуклеиновые кислоты могут быть линейными и кольцевыми (ковалентно замкнутыми). Они могут состоять из одной или двух цепей. Ниже приведена схема, отражающая существование в природе различных типов нуклеиновых кислот:

Функции нуклеиновых кислот

Нуклеиновым кислотам присущи три важнейшие функции: хранение, передача и реализация генетической информации. Кроме этих, они выполняют и другие функции, например, участвуют в катализе некоторых химических реакций, осуществляют регуляцию реализации генетической информации, выполняют структурные функции и др. Роль хранителя генетической информации у большинства организмов (эукариот, прокариот, некоторых вирусов) выполняют двухцепочечные ДНК. Только у некоторых вирусов хранителем генетической информации являются одноцепочечные ДНК или одноцепочечные, а также двухцепочечные РНК. Генетическая информация записана в генах. Ген по своей природе является участком нуклеиновой кислоты. В них закодирована первичная структура белков. Гены могут также нести информацию о структуре некоторых типов РНК, например, тРНК и рРНК.

Генетическая информация передается от родителей к потомкам. Этот процесс связан с удвоением нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), выполняющей функцию хранителя генетической информации, и последующей передачи ее потомкам. Например, в результате деления дочерние клетки получают от материнской идентичные молекулы ДНК, а следовательно, и идентичную генетическую информацию (рис. 38). При размножении вирусы также передают дочерним вирусным частицам точные копии нуклеиновой кислоты. При половом размножении потомки получают генетическую информацию от обоих родителей. Вот почему дети наследуют признаки обоих родителей.

Рис. 38. Распределение ДНК при делении клетки

В результате реализации генетической информации происходит синтез белков, закодированных в ДНК в виде генов (или для некоторых вирусов – в РНК). В этом процессе информация о первичной структуре белка переписывается с молекулы ДНК на иРНК и затем расшифровывается на рибосомах при участии тРНК. В итоге образуется белок:

ДНК РНК белок.

Состав нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты представляют собой полимеры, построенные из нуклеотидов, соединенных между собой фосфодиэфирными связями. Каждый нуклеотид состоит из остатков азотистого основания, пентозы и фосфорной кислоты.

Различают пиримидиновые и пуриновые основания, называемые также соответственно пиримидины и пурины. Пиримидиновые основания являются производными пиримидина:

пуриновые основания – производными пурина:

К пиримидинам относятся урацил, тимин и цитозин, к пуринам – аденин и гуанин:

В состав ДНК входят тимин, цитозин, аденин и гуанин, в состав РНК – те же основания, только вместо тимина входит урацил. Кроме азотистых оснований, нуклеиновые кислоты содержат пентозы: ДНК – D-дезоксирибозу, а РНК – D-рибозу. Углеводы находятся в виде b-аномера фуранозной формы:

Азотистое основание связывается с углеводом за счет гликозидного гидроксила. Образуется нуклеозид. Схематически образование нуклеозида можно изобразить так:

В состав нуклеиновых кислот входят 8 нуклеозидов, 4 – в состав РНК и 4 – в состав ДНК (рис. 39).

Нуклеозиды, входящие в состав РНК:

Нуклеозиды, входящие в состав ДНК:

Рис. 39. Нуклеозиды

Нуклеозид, связанный с остатком фосфорной кислоты, называется нуклеотидом:

При этом остаток фосфорной кислоты может быть связан с 3’- или 5’- атомом углерода:

Сокращенно аденозин-5’-монофосфат обозначается как АМФ. Если нуклеотид образован дезоксорибозой, аденином и одним остатком фосфорной кислоты, то он будет носить название дезоксиаденозинмонофосфат, или сокращенно дАМФ. В таблице 5 представлена номенклатура нуклеотидов.

Номенклатура нуклеотидов, образующих ДНК и РНК

Лекция № 4. Строение и функции нуклеиновых кислот АТФ

К нуклеиновым кислотам относят высокополимерные соединения, распадающиеся при гидролизе на пуриновые и пиримидиновые основания, пентозу и фосфорную кислоту. Нуклеиновые кислоты содержат углерод, водород, фосфор, кислород и азот. Различают два класса нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).

Строение и функции ДНК

ДНК — полимер, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды. Модель пространственного строения молекулы ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком (для построения этой модели они использовали работы М. Уилкинса, Р. Франклин, Э. Чаргаффа).

Молекула ДНК образована двумя полинуклеотидными цепями, спирально закрученными друг около друга и вместе вокруг воображаемой оси, т.е. представляет собой двойную спираль (исключение — некоторые ДНК-содержащие вирусы имеют одноцепочечную ДНК). Диаметр двойной спирали ДНК — 2 нм, расстояние между соседними нуклеотидами — 0,34 нм, на один оборот спирали приходится 10 пар нуклеотидов. Длина молекулы может достигать нескольких сантиметров. Молекулярный вес — десятки и сотни миллионов. Суммарная длина ДНК ядра клетки человека — около 2 м. В эукариотических клетках ДНК образует комплексы с белками и имеет специфическую пространственную конформацию.

Читайте также:
Кишечнополостные - разнообразие типа, роль и значение в природе

Мономер ДНК — нуклеотид (дезоксирибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания нуклеиновых кислот относятся к классам пиримидинов и пуринов. Пиримидиновые основания ДНК (имеют в составе своей молекулы одно кольцо) — тимин, цитозин. Пуриновые основания (имеют два кольца) — аденин и гуанин.

Моносахарид нуклеотида ДНК представлен дезоксирибозой.

Название нуклеотида является производным от названия соответствующего основания. Нуклеотиды и азотистые основания обозначаются заглавными буквами.

Азотистое основание Название нуклеотида Обозначение
Аденин Адениловый А (A)
Гуанин Гуаниловый Г (G)
Тимин Тимидиловый Т (T)
Цитозин Цитидиловый Ц (C)

Полинуклеотидная цепь образуется в результате реакций конденсации нуклеотидов. При этом между 3′-углеродом остатка дезоксирибозы одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает фосфоэфирная связь (относится к категории прочных ковалентных связей). Один конец полинуклеотидной цепи заканчивается 5′-углеродом (его называют 5′-концом), другой — 3′-углеродом (3′-концом).

Против одной цепи нуклеотидов располагается вторая цепь. Расположение нуклеотидов в этих двух цепях не случайное, а строго определенное: против аденина одной цепи в другой цепи всегда располагается тимин, а против гуанина — всегда цитозин, между аденином и тимином возникают две водородные связи, между гуанином и цитозином — три водородные связи. Закономерность, согласно которой нуклеотиды разных цепей ДНК строго упорядоченно располагаются (аденин — тимин, гуанин — цитозин) и избирательно соединяются друг с другом, называется принципом комплементарности. Следует отметить, что Дж. Уотсон и Ф. Крик пришли к пониманию принципа комплементарности после ознакомления с работами Э. Чаргаффа. Э. Чаргафф, изучив огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, установил, что в любом фрагменте ДНК содержание остатков гуанина всегда точно соответствует содержанию цитозина, а аденина — тимину («правило Чаргаффа»), но объяснить этот факт он не смог.

Из принципа комплементарности следует, что последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой.

Цепи ДНК антипараллельны (разнонаправлены), т.е. нуклеотиды разных цепей располагаются в противоположных направлениях, и, следовательно, напротив 3′-конца одной цепи находится 5′-конец другой. Молекулу ДНК иногда сравнивают с винтовой лестницей. «Перила» этой лестницы — сахарофосфатный остов (чередующиеся остатки дезоксирибозы и фосфорной кислоты); «ступени» — комплементарные азотистые основания.

Функция ДНК — хранение и передача наследственной информации.

Репликация (редупликация) ДНК

Репликация ДНК — процесс самоудвоения, главное свойство молекулы ДНК. Репликация относится к категории реакций матричного синтеза, идет с участием ферментов. Под действием ферментов молекула ДНК раскручивается, и около каждой цепи, выступающей в роли матрицы, по принципам комплементарности и антипараллельности достраивается новая цепь. Таким образом, в каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая — вновь синтезированной. Такой способ синтеза называется полуконсервативным.

«Строительным материалом» и источником энергии для репликации являются дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ), содержащие три остатка фосфорной кислоты. При включении дезоксирибонуклеозидтрифосфатов в полинуклеотидную цепь два концевых остатка фосфорной кислоты отщепляются, и освободившаяся энергия используется на образование фосфодиэфирной связи между нуклеотидами.

В репликации участвуют следующие ферменты:

  1. геликазы («расплетают» ДНК);
  2. дестабилизирующие белки;
  3. ДНК-топоизомеразы (разрезают ДНК);
  4. ДНК-полимеразы (подбирают дезоксирибонуклеозидтрифосфаты и комплементарно присоединяют их к матричной цепи ДНК);
  5. РНК-праймазы (образуют РНК-затравки, праймеры);
  6. ДНК-лигазы (сшивают фрагменты ДНК).

С помощью геликаз в определенных участках ДНК расплетается, одноцепочечные участки ДНК связываются дестабилизирующими белками, образуется репликационная вилка. При расхождении 10 пар нуклеотидов (один виток спирали) молекула ДНК должна совершить полный оборот вокруг своей оси. Чтобы предотвратить это вращение ДНК-топоизомераза разрезает одну цепь ДНК, что дает ей возможность вращаться вокруг второй цепи.

ДНК-полимераза может присоединять нуклеотид только к 3′-углероду дезоксирибозы предыдущего нуклеотида, поэтому данный фермент способен передвигаться по матричной ДНК только в одном направлении: от 3′-конца к 5′-концу этой матричной ДНК. Так как в материнской ДНК цепи антипараллельны, то на ее разных цепях сборка дочерних полинуклеотидных цепей происходит по-разному и в противоположных направлениях. На цепи 3’–5′ синтез дочерней полинуклеотидной цепи идет без перерывов; эта дочерняя цепь будет называться лидирующей. На цепи 5’–3′ — прерывисто, фрагментами (фрагменты Оказаки), которые после завершения репликации ДНК-лигазами сшиваются в одну цепь; эта дочерняя цепь будет называться запаздывающей (отстающей).

Купить проверочные работы
по биологии

Особенностью ДНК-полимеразы является то, что она может начинать свою работу только с «затравки» (праймера). Роль «затравок» выполняют короткие последовательности РНК, образуемые при участи фермента РНК-праймазы и спаренные с матричной ДНК. РНК-затравки после окончания сборки полинуклеотидных цепочек удаляются.

Репликация протекает сходно у прокариот и эукариот. Скорость синтеза ДНК у прокариот на порядок выше (1000 нуклеотидов в секунду), чем у эукариот (100 нуклеотидов в секунду). Репликация начинается одновременно в нескольких участках молекулы ДНК. Фрагмент ДНК от одной точки начала репликации до другой образует единицу репликации — репликон.

Репликация происходит перед делением клетки. Благодаря этой способности ДНК осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним.

Репарация («ремонт»)

Репарацией называется процесс устранения повреждений нуклеотидной последовательности ДНК. Осуществляется особыми ферментными системами клетки (ферменты репарации). В процессе восстановления структуры ДНК можно выделить следующие этапы: 1) ДНК-репарирующие нуклеазы распознают и удаляют поврежденный участок, в результате чего в цепи ДНК образуется брешь; 2) ДНК-полимераза заполняет эту брешь, копируя информацию со второй («хорошей») цепи; 3) ДНК-лигаза «сшивает» нуклеотиды, завершая репарацию.

Читайте также:
Хлоропласты - особенности строения и структура, основные функции

Наиболее изучены три механизма репарации: 1) фоторепарация, 2) эксцизная, или дорепликативная, репарация, 3) пострепликативная репарация.

Изменения структуры ДНК происходят в клетке постоянно под действием реакционно-способных метаболитов, ультрафиолетового излучения, тяжелых металлов и их солей и др. Поэтому дефекты систем репарации повышают скорость мутационных процессов, являются причиной наследственных заболеваний (пигментная ксеродерма, прогерия и др.).

Строение и функции РНК

РНК — полимер, мономерами которой являются рибонуклеотиды. В отличие от ДНК, РНК образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой (исключение — некоторые РНК-содержащие вирусы имеют двухцепочечную РНК). Нуклеотиды РНК способны образовывать водородные связи между собой. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК.

Мономер РНК — нуклеотид (рибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания РНК также относятся к классам пиримидинов и пуринов.

Пиримидиновые основания РНК — урацил, цитозин, пуриновые основания — аденин и гуанин. Моносахарид нуклеотида РНК представлен рибозой.

Выделяют три вида РНК: 1) информационная (матричная) РНК — иРНК (мРНК), 2) транспортная РНК — тРНК, 3) рибосомная РНК — рРНК.

Все виды РНК представляют собой неразветвленные полинуклеотиды, имеют специфическую пространственную конформацию и принимают участие в процессах синтеза белка. Информация о строении всех видов РНК хранится в ДНК. Процесс синтеза РНК на матрице ДНК называется транскрипцией.

Транспортные РНК содержат обычно 76 (от 75 до 95) нуклеотидов; молекулярная масса — 25 000–30 000. На долю тРНК приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке. Функции тРНК: 1) транспорт аминокислот к месту синтеза белка, к рибосомам, 2) трансляционный посредник. В клетке встречается около 40 видов тРНК, каждый из них имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов. Однако у всех тРНК имеется несколько внутримолекулярных комплементарных участков, из-за которых тРНК приобретают конформацию, напоминающую по форме лист клевера. У любой тРНК есть петля для контакта с рибосомой (1), антикодоновая петля (2), петля для контакта с ферментом (3), акцепторный стебель (4), антикодон (5). Аминокислота присоединяется к 3′-концу акцепторного стебля. Антикодон — три нуклеотида, «опознающие» кодон иРНК. Следует подчеркнуть, что конкретная тРНК может транспортировать строго определенную аминокислоту, соответствующую ее антикодону. Специфичность соединения аминокислоты и тРНК достигается благодаря свойствам фермента аминоацил-тРНК-синтетаза.

Рибосомные РНК содержат 3000–5000 нуклеотидов; молекулярная масса — 1 000 000–1 500 000. На долю рРНК приходится 80–85% от общего содержания РНК в клетке. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы — органоиды, осуществляющие синтез белка. В эукариотических клетках синтез рРНК происходит в ядрышках. Функции рРНК: 1) необходимый структурный компонент рибосом и, таким образом, обеспечение функционирования рибосом; 2) обеспечение взаимодействия рибосомы и тРНК; 3) первоначальное связывание рибосомы и кодона-инициатора иРНК и определение рамки считывания, 4) формирование активного центра рибосомы.

Информационные РНК разнообразны по содержанию нуклеотидов и молекулярной массе (от 50 000 до 4 000 000). На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке. Функции иРНК: 1) перенос генетической информации от ДНК к рибосомам, 2) матрица для синтеза молекулы белка, 3) определение аминокислотной последовательности первичной структуры белковой молекулы.

Строение и функции АТФ

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — универсальный источник и основной аккумулятор энергии в живых клетках. АТФ содержится во всех клетках растений и животных. Количество АТФ в среднем составляет 0,04% (от сырой массы клетки), наибольшее количество АТФ (0,2–0,5%) содержится в скелетных мышцах.

АТФ состоит из остатков: 1) азотистого основания (аденина), 2) моносахарида (рибозы), 3) трех фосфорных кислот. Поскольку АТФ содержит не один, а три остатка фосфорной кислоты, она относится к рибонуклеозидтрифосфатам.

Для большинства видов работ, происходящих в клетках, используется энергия гидролиза АТФ. При этом при отщеплении концевого остатка фосфорной кислоты АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту), при отщеплении второго остатка фосфорной кислоты — в АМФ (аденозинмонофосфорную кислоту). Выход свободной энергии при отщеплении как концевого, так и второго остатков фосфорной кислоты составляет по 30,6 кДж. Отщепление третьей фосфатной группы сопровождается выделением только 13,8 кДж. Связи между концевым и вторым, вторым и первым остатками фосфорной кислоты называются макроэргическими (высокоэнергетическими).

Запасы АТФ постоянно пополняются. В клетках всех организмов синтез АТФ происходит в процессе фосфорилирования, т.е. присоединения фосфорной кислоты к АДФ. Фосфорилирование происходит с разной интенсивностью при дыхании (митохондрии), гликолизе (цитоплазма), фотосинтезе (хлоропласты).

АТФ является основным связующим звеном между процессами, сопровождающимися выделением и накоплением энергии, и процессами, протекающими с затратами энергии. Кроме этого, АТФ наряду с другими рибонуклеозидтрифосфатами (ГТФ, ЦТФ, УТФ) является субстратом для синтеза РНК.

Перейти к лекции №3 «Строение и функции белков. Ферменты»

Перейти к лекции №5 «Клеточная теория. Типы клеточной организации»

Смотреть оглавление (лекции №1-25)

Строение, свойства и функции нуклеиновых кислот

Вы будете перенаправлены на Автор24

Строение нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты – фосфосодержащие биополимеры живых организмов, обеспечивающие сохранение и передачу наследственной информации.

Макромолекулы нуклеиновых кислот открыл в 1869 г. Швейцарский химик Ф. Мишер в ядрах лейкоцитов, обнаруженных в навозе. Позже нуклеиновые кислоты выявили во всех клетках растений и животных, грибов, в бактериях и вирусах.

Существует два вида нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК).

Как видно из названий, молекула ДНК содержит пентозный сахар дезоксирибозу, а молекула РНК – рибозу.

Сейчас известно большое количество разновидностей ДНК и РНК, которые отличаются друг от друга строением и значением в метаболизме.

В бактериальной клетке кишечной палочки содержится около 1000 разновидностей нуклеиновых кислот, а у животных и растений – ещё больше.

Каждому виду организмов характерен свой собственный набор этих кислот. ДНК локализируется преимущественно в хромосомах клеточного ядра (% всей ДНК клетки), а также в хлоропластах и митохондриях. РНК содержится в цитоплазме, ядрышках, рибосомах, митохондриях, пластидах.

Читайте также:
Клонирование животных и человека: история, методы, проблемы, открытия

Состоит молекула ДНК из двух полинуклеотидных цепей, спирально закрученных относительно друг друга. Цепы расположены антипараллельно, то есть 3́-конец и 5́-конец.

Структурными компонентами (мономерами) каждой такой цепи являются нуклеотиды. В молекулах нуклеиновых кислот количество нуклеотидов различно – от 80 в молекулах транспортных РНК до нескольких десятков тысяч в ДНК.

Любой нуклеотид ДНК содержит одно из четырёх азотистых оснований (аденин, тимин, цитозин и гуанин), дезоксирибозу и остаток фосфорной кислоты.

Готовые работы на аналогичную тему

Нуклеотиды отличаются лишь азотистыми основаниями, между которыми существуют родственные связи. Тимин, цитозин и урацил относятся к пиримидиновым, а аденин и гуанин – к пуриновым основаниям.

Соседние нуклеотиды в полинуклеотидной цепи связаны ковалентными связями, образующимися между дезоксирибозой молекулы ДНК (или рибозой РНК) одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого.

Хотя в молекуле ДНК только четыре типа нуклеотидов, но благодаря изменению последовательности их расположения в длинной цепи молекулы ДНК достигают огромного разнообразия.

Две полинуклеотидные цепи объединяются в единую молекулу ДНК с помощью водородных связей, которые образуются между азотистыми основаниями нуклеотидов разных цепей.

При этом аденин (А) способен соединяться только с тимином (Т), а гуанин (Г) – только с цитозином (Ц). В результате у различных организмов количество адениловых нуклеотидов равно количеству тимидиловых, а количество гуаниловых – количеству цитидиловых. Такая закономерность называется «правило Чаргаффа». Таким образом определяется последовательность нуклеотидов в одной цепи согласно их последовательность в другой.

Такая способность нуклеотидов к выборочному соединению называется комплементарностью, и это свойство обеспечивает образование новых молекул ДНК на основании исходной молекулы (репликация).

Двойная спираль стабилизируется многочисленными водородными связями (две образуются между А и Т, три – между Г и Ц) и гидрофобными взаимодействиями.

Диаметр ДНК составляет 2 нм, шаг спирали – 3,4 нм, а в каждом витке содержится 10 пар нуклеотидов.

Длина молекулы нуклеиновых кислот достигает сотни тысяч нанометров. Это значительно превышает наибольшую макромолекулу белка, длина которой в развёрнутом виде не больше 100 – 200 нм.

Самоудвоение молекулы ДНК

Каждому клеточному делению при условии абсолютно чёткого соблюдения нуклеотидной последовательности предшествует репликация молекулы ДНК.

Начинается она с того, что временно раскручивается двойная спираль ДНК. Это происходит под действием ферментов ДНК-топоизомеразы и ДНК-геликазы. ДНК-полимераза и ДНК-праймаза катализируют полимеризацию нуклеозидтрифосфатов и образование новой цепи.

Точность репликации обеспечивается комплементарным (А – Т, Г – Ц) взаимодействием азотистых оснований матричной цепи, которая строится.

Каждая полинуклеотидная цепь является матрицей для новой комплементарной цепи. В результате образуются две молекулы ДНК, одна половина каждой из которых происходит от материнской молекулы, а другая является заново синтезированной.

Причём синтезируются новые цепи сначала в виде коротких фрагментов, а потом специальным ферментом эти фрагменты «сшиваются» в длинные цепи.

Две образовавшиеся новые молекулы ДНК являются точной копией исходной молекулы благодаря репликации.

Этот процесс является основой для передачи наследственной информации, которая осуществляющейся на клеточном и организменном уровнях.

Важнейшая особенность репликации ДНК – её высокая точность, которую обеспечивает специальный комплекс белков – «репликационная машина».

Функции «репликационной машины»:

  • продуцирует углеводы, образующие комплементарную пару с нуклеотидами материнской матричной цепи;
  • выступает катализатором при образовании ковалентной связи между концом растущей цепи и каждым новым нуклеотидом;
  • корректирует цепь, удаляя нуклеотиды, которые неправильно включились.

Число ошибок «репликационной машины» составляет очень малую величину, менее одной ошибки на 1 млрд. нуклеотидов.

Однако бывают случаи, когда «репликационная машина» может пропустить или вставить несколько лишних оснований, включить Ц вместо Т или А вместо Г. Каждая такая замена последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК является генетической ошибкой и называется мутацией. Во всех последующих поколениях клеток такие ошибки будут снова воспроизводиться, что может привести к заметным негативным последствиям.

Типы РНК и их функции

РНК представляет из себя одну полинуклеотидную цепь (у некоторых вирусов две цепи).

Мономерами являются рибонуклеотиды.

Азотистые основания в нуклеотидах:

  • аденин (А);*
  • гуанин (Г);
  • цитозин (Ц);
  • урацил (У).*

В клетке локализируется в ядре (ядрышке), митохондриях, хлоропластах, рибосомах, цитоплазме.

Синтезируется путём матричного синтеза по принципу комплементарности на одной из цепей ДНК, не способна к репликации (самоудвоению), лабильна.

Существуют различные типы РНК, которые отличаются по величине молекул, структуре, расположением в клетке и функциям.

Низкомолекулярные транспортные РНК (тРНК) составляют около 10% общего количества клеточной РНК.

В процессе передачи генетической информации каждая тРНК может присоединить и перенести лишь определённую аминокислоту (например, лизин) к рибосомам – месту синтеза белка. Но для каждой аминокислоты есть более одной тРНК. Потому существует намного больше 20 различных тРНК, которые отличаются по своей первичной структуре (имеют различную последовательность нуклеотидов).

Рибосомальные РНК (рРНК) составляют до 85% всех РНК клетки. Входя в состав рибосом они выполняют тем самым структурную функцию. Также рРНК берут участие в формировании активного центра рибосомы, где в процессе биосинтеза белка образуются пептидные связи между молекулами аминокислот.

С участием информационных, или матричных, РНК (иРНК) программируется синтез белков в клетке. Хотя их содержание в клетке относительно низкое – около 5% – от общей массы всех РНК клетки, по своему значению иРНК стоят на первом месте, поскольку они непосредственно осуществляют передачу кода ДНК для синтеза белков. При этом каждый белок клетки кодирует специфическая иРНК. Объясняется это тем, что РНК во время своего синтеза получают информацию от ДНК о структуре белка в виде скопированной последовательности нуклеотидов и для обработки и реализации переносят её к рибосоме.

Значение всех типов РНК состоит в том, что они являются функционально объединённой системой, направленной на осуществление в клетке синтеза специфических для неё белков.

Химическое строение и роль АТФ в энергетическом обмене

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) содержится в каждой клетке – в гиалоплазме (растворимой фракции цитоплазмы), митохондриях, хлоропластах и ядре.

Читайте также:
Лишайники, как питаются, размножаются, особенность строения

Она обеспечивает энергией большинство реакций, происходящих в клетке. С помощью АТФ клетка способна двигаться, синтезировать новые молекулы белков, жиров и углеводов, избавляться от продуктов распада, осуществлять активный транспорт и т.п.

Молекула АТФ образована азотистым основанием, пятиуглеродным сахаром рибозой и тремя остатками фосфорной кислоты. Фосфатные группы в молекуле АТФ между собой соединены высокоэнергетическими (макроэргическими) связями.

В результате гидролитического отщепления конечной фосфатной группы образуется аденозиндифосфорная кислота (АДФ) и освобождается энергия.

После отщепления второй фосфатной группы образуется аденозинмонофосфорная кислота (АМФ) и высвобождается ещё одна порция энергии.

АТФ образуется из АДФ и неорганического фосфата за счёт энергии, которая освобождается во время окисления органических веществ и в процессе фотосинтеза. Называется этот процесс называется фосфориллированием. При этом должно быть использовано не менее 40 кДж/моль АТФ, аккумулированной в её макроэргических связях.

Значит, основное значение процессов дыхания и фотосинтеза состоит в том, что они поставляют энергию для синтеза АТФ, при участии которой в клетке происходит значительное количество различных процессов.

АТФ чрезвычайно быстро восстанавливается. Пример У человека каждая молекула АТФ расщепляется и снова возобновляется 2400 раз на сутки, потому средняя длительность её жизни менее 1 мин.

Синтез АТФ осуществляется главным образом в митохондриях и хлоропластах. АТФ, которая образовалась, по каналах эндоплазматического ретикуллюма поступает в те участки клетки, где необходима энергия.

АТФ играет главную роль в энергетическом обмене клетки и организма.

Любые виды клеточной активности происходят за счёт энергии, которая освобождается во время гидролиза АТФ. Оставшаяся энергия (около 50%), которая освобождается во время расщепления молекул белков, жиров, углеводов и других органических соединений, рассеивается в виде тепла рассеивается и практически существенного значения для жизнедеятельности клетки не имеет.

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 состав дезоксирибозу и одно из азотистых оснований: 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.

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.

Реакции, в которых одна молекула гетерополимера служит матрицей (формой) для синтеза другой молекулы гетерополимера с комплементарной структурой, называются реакциями матричного типа. Если в ходе реакции образуются молекулы того же вещества, которое служит матрицей, то реакция называется автокаталитической. Если же в ходе реакции на матрице одного вещества образуются молекулы другого вещества, то такая реакция называется гетерокаталитической. Таким образом, репликация ДНК (то есть синтез ДНК на матрице ДНК) является автокаталитической реакцией матричного синтеза.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) – это нуклеиновая кислота, мономерами которой являются рибонуклеотиды.

В пределах одной молекулы РНК имеется несколько участков, которые комплементарны друг другу. Между такими комплементарными участками образуются водородные связи. В результате в одной молекуле РНК чередуются двуспиральные и односпиральные структуры, и общая конформация молекулы напоминает клеверный лист на черешке.

Азотистые основания, входящие в состав РНК, способны образовывать водородные связи с комплементарными основаниями и ДНК, и РНК. При этом азотистые основания образуют пары А=У, А=Т и Г≡Ц. Благодаря этому возможна передача информации от ДНК к РНК, от РНК к ДНК и от РНК к белкам.

В клетках обнаруживается три основных типа РНК, выполняющих различные функции:

1. Информационная, или матричная РНК (иРНК, или мРНК). Составляет 5% клеточной РНК. Служит для передачи генетической информации от ДНК на рибосомы при биосинтезе белка. В эукариотических клетках иРНК (мРНК) стабилизирована с помощью специфических белков. Это делает возможным продолжение биосинтеза белка даже в том случае, если ядро неактивно.

2. Рибосомная, или рибосомальная РНК (рРНК). Составляет 85% клеточной РНК. Входит в состав рибосом, определяет форму большой и малой рибосомных субъединиц, обеспечивает контакт рибосомы с другими типами РНК.

3. Транспортная РНК (тРНК). Составляет 10% клеточной РНК. Транспортирует аминокислоты к соответствующему участку иРНК в рибосомах. Каждый тип тРНК транспортирует определенную аминокислоту.

В клетках имеются и другие типы РНК, выполняющие вспомогательные функции.

Все типы РНК образуется в результате реакций матричного синтеза. В большинстве случаев матрицей служит одна из цепей ДНК. Таким образом, синтез РНК на матрице ДНК является гетерокаталитической реакцией матричного типа. Этот процесс называется транскрипцией и контролируется определенными ферментами – РНК-полимеразами (транскриптазами).

19.Синергетика возникла как попытка найти альтернативы существующим концепциям развития, которые исчерпали свои возможности в объяснении возникновения и развития сложноорганизо- ванных систем.

Читайте также:
Фотосинтез, значение и сущность процесса, необходимые условия

Исходным понятием синергетики является понятие хаоса. Хаос традиционно рассматривается как деструктивное начало, которое должно быть упорядочено. Синергетика считает, что в хаосе таится источник развития, который может привести к конструктивным результатам.

Синергетика, в отличие от других концепций развития, возвращает в лоно теории понятие случайности, реабилитирует его. Если в диалектической концепции и в классическом эволюционизме случайность рассматривалась как второстепенный и не имеющий значение фактор, забывающийся, стирающийся по прошествии времени, то синергетика поднимает случайность до уровня необ-ходимости.

Такие состояния, как неустойчивость, нарушенное равновесие также объявляются синергетикой как нормальное и естественное состояние.

Классические концепции понимают развитие как поступательное и безальтернативное движение. Развитие подчиняется строгому закону причинности. По причинным цепочкам ход развития может быть просчитан как в прошлое, так и в будущее. Развитие ретросказуемо и предсказуемо. Настоящее определяется прошлым, а будущее – настоящим.

Но один из ведущих теоретиков в области синергетики, И. При- гожин, обосновывает положение о том, что идея нестабильности существенно теснит идею детерминизма. Она позволила включить в поле зрения естествознания человеческую деятельность. И такие понятия, как нестабильность и непредсказуемость стали играть немаловажную роль в преодолении той разобщенности, которая всегда существовала между социальными науками и науками о природе.

Идея нестабильности означает, что траектории многих систем неустойчивы и мы не можем предсказывать их развитие на длительный отрезок. И. Пригожин называет эти интервалы «темпоральной экспонентой» и говорит, что после того, как мы переходим в новый интервал, информация о предыдущем может исчезнуть. Наше знание – это всего лишь небольшое окно в универсум и из-за нестабильности мира нам следует отказаться даже от меч- ты об исчерпывающем знании. Заглядывая в это окно, мы можем, конечно, экстраполировать имеющиеся знания за границы нашего видения и строить догадки по поводу того, каким мог быть механизм, управляющий динамикой универсума, но не более того.

В традиционной картине мира обусловленности отсутствует всякий риск, ибо протекание событий одновариантно и прогнозируемо. Синергетика же постулирует многовариантное видение мира, которое раскрывает перед человечеством возможность выбора с мерой ответственности за этот выбор. Основные идеи синергетики:

¦из хаоса может возникнуть новая структурно организованная определенность с новым вектором своего развития; ¦сложноорганизованные и самоорганизующиеся системы не могут развиваться по строго определенным законам, ибо в них большую роль играют моменты спонтанности и случайности; заявляющие о себе в точке «бифуркации». ¦для сложных систем существует несколько альтернативных путей развития. Эволюционный путь не является единственным;

Синергетика является одновременно и методом, и наукой об управлении сложноорганизованными системами. Главным рычагом этого управления является не сила, а правильная направленность, «архитектура» воздействия на сложноорганизованную среду.

Рассмотренные различные аспекты проблемы развития дают основание утверждать, что развитие – это особый тип изменений, благодаря которым мы получили тот мир, в котором живем. Многообразие природных и социальных феноменов не было дано изначально, а появилось в результате развития некоего исходного количества видов и форм. Поэтому невозможно понять мир вне контекста развития, но сам процесс развития становится все более комплексным и сложным, и объяснить его исходя из какой-либо одной теоретической модели практически невозможно.

Современные биологи и антропологи, как мы уже отмечали, полагают, что биологическая эволюция человека как вида, то есть его видообразование, прекратилось со времени появления Homo sapiens. В связи с этим встает вопрос о будущих направлениях развития человека как биологического вида. При ответе на него иногда высказывается мнение, что все виды животных и растений постепенно вымрут вследствие деградации генома (генетической программы развития). По мнению большинства ученых, главная опасность при этом состоит не в старении вида, а во все большем загрязнении биосферы различного рода отходами.

В силу своих родовых качеств человек должен бороться с природой. Но в этой борьбе не может быть победителей, потому что человек является частью биосферы и, уничтожая природу, человек губит самого себя, не замечая этого, как он не замечает радиоактивного излучения.

Все эти проблемы важны прежде всего потому, что здоровый человек свободен в своих поступках, в удовлетворении своих материальных и духовных потребностей (в рамках тех возможностей, которые ему дает общество). Болезнь же ограничивает человеческую свободу, добавляя к общественным ограничениям поступков человека рамки его собственного тела. Поэтому отношение человека к своему телу не может быть просто отношением к некой природной, естественной объективности – человек встречается с необходимостью, ее языком и властью. И власть эта, запечатленная в телесной организации человека, отличается особой жестокостью и императивностью. Практически каждый человек имел возможность убедиться в этом – достаточно вспомнить ощущение абсолютной беспомощности, которое охватывает человека в моменты достаточно тяжелых болезней.

Можно сказать, что телесность выступает как поток жизни, как жизнедеятельность человека в целом. А тело является статическим аспектом телесности, от которого человек никак и никогда не сможет избавиться, пока он живет. Ведь зачатием человек бросается в поток жизни помимо своей воли. Момент смерти также наступает в свой черед независимо от желаний человека. Каждая стадия возрастных изменений принудительно ввергает человека в новую жизненную ситуацию.

Таким образом, становится очевидным, что проблемы телесности, функционирования человеческого тела являются важной частью картины мира, а также предметом медицины -науки, изучающей причины возникновения болезней человека, закономерности их развития, методы их распознавания и лечения, а также формы оптимальной организации медицинской помощи населению.

Естественно, медицина не всегда была наукой, но всегда существовала как часть человеческой культуры, занимающаяся проблемами здоровья человека. Являясь частью культуры определенного народа и определенной эпохи, медицина по-разному в разное время объясняла причины болезней и рекомендовала разные способы их лечения.

Перестройку испытывает также аппарат психоэмоциональной адаптации. Здесь особое значение приобретает моторизация современного производства и быта, насыщение жизни техникой, шум, ускорение ритмов жизни, резкое возрастание числа межличностных контактов, нередко с отрицательным, болезнетворным психоэмоциональным зарядом.

Читайте также:
Плауновидные растения виды и названия, примеры представителей, признаки, происхождение, где обитают, особенности строения, характеристика

Все вышеперечисленные факторы в конечном счете непосредственно определяют эволюцию болезней, изменение их тяжести, симптоматики, характера осложнений, ведут к исчезновению старых и возникновению новых болезней, резко изменяют характер заболеваемости. Широкое распространение в настоящее время получили заболевания, в возникновении которых большую роль играют психоэмоциональные факторы. Усиливающаяся социализация жизни современного человека сказывается на его соматической (телесной) патологии. Такие факторы, как профессия, отношение человека к труду, атмосфера производственного коллектива, оказывают существенное влияние на состояние его соматического и психического здоровья.

На разных ступенях социально-экономической зрелости общества требования, предъявляемые к уровню нервно-психических и мышечных, физических затрат, неодинаковы. В условиях научно-технической революции все более возрастают требования к нервно-психическим механизмам человека.

С переходом от одной ступени общественного развития к другой все более усложняются психоэмоциональные отношения людей. Все каналы эмоциональной взаимосвязи ныне до предела заполнены, а иногда перегружены. Нервная система человека подвергается постоянной, все возрастающей эмоционально-психической «бомбардировке», начиная от здоровых, тонизирующих, и кончая отрицательными, даже болезнетворными эмоциями. Возрастает темп жизни, укорачиваются сроки морального износа техники, происходит устаревание некоторых профессий, убыстряется развитие науки, техники, культуры и т.п. Все это предъявляет новые, повышенные требования к внутренним ресурсам человека, важным компонентом которых является психическое здоровье и эмоциональное равновесие.

Если современный этап общественного развития характеризуется ускорением темпов жизни во всех сферах, то скорости психофизиологических и соматических реакций организма нередко оказываются слишком замедленными, отстают от ритмов социальной и производственной жизни, возникает социально-биологическая аритмия как общая предпосылка возникновения многих заболеваний.

Поэтому закономерно, что здоровье населения страны с каждым годом ухудшается. В последние годы, например, 70 процентов современных женщин имеют отклонения в состоянии здоровья. До 20 процентов возросла доля новорожденных с физическими и неврологическими нарушениями. Важнейшим индикатором здоровья народа и социального благополучия общества является уровень младенческой смертности. В России этот показатель за последние 5 лет увеличился на 15 процентов.

Не менее удручающими являются показатели влияния некоторых компонентов окружающей среды на здоровье человека. Так, достоверно известно, что загрязненность воздуха вызывает заболевания органов дыхания, кровообращения, пищеварения и т.д. Кроме того, она является важнейшей из причин накопления мутаций организма, влияющих на генотип человека.

Примерно 85 процентов заболеваний вызываются и переносятся водой. К болезням приводит прежде всего низкое качество воды, содержащей различные токсичные соединения тяжелых металлов, вредные органические примеси и бактерии. Чем больше насыщенность воды солями, тем выше риск заболеть атеросклерозом, инсультом, инфарктом и т.д. В огромной степени нам портит здоровье хлор. Хотя хлорирование воды спасает от инфекций, однако его производные медленно и уверенно подрывают здоровье, так как обладают канцерогенным мутагенным эффектом. Они могут влиять на наследственность, многие из них являются сильнейшими печеночными ядами и т.д.

В условиях форсирования экологических преобразований и их возрастающего воздействия на здоровье населения особое значение приобретает изучение социально-генетических проблем биосферы и здоровья человека.

Типы и структура нуклеиновых кислот

Типы нуклеиновых кислот

Есть два типа нуклеиновая кислота : дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Оба играют центральную роль в каждой функции каждого живого организм, Нуклеиновые кислоты имеют сходные основные структуры с важными отличиями. Они состоят из мономер нуклеотиды, связанные как звенья в цепи, чтобы сформировать полимеры нуклеиновой кислоты. Нуклеотиды состоят из нуклеозида (комбинация пентозы моносахарид молекула и азотистая основа ) и фосфатная группа, Разница между РНК и ДНК заключается в одном азотистом основании и одном атоме кислорода в молекуле сахара.

ДНК – это генетический проект живого организма, в котором хранится вся информация и из которого может быть передана вся информация. Имеет отличительный двойная спираль Форма – две отдельные нити, которые сплетаются друг с другом. Нить ДНК намного длиннее, чем у единственной нити РНК. Это потому, что каждая нить ДНК в каждом клетка содержит план для всего организма. Дезоксирибонуклеиновая кислота находится в основном в ядре. Тем не менее, ДНК в гораздо более короткой версии также можно найти в митохондрии (мтДНК), где он поставляет гены, необходимые для производства аденозинтрифосфата, наиболее важного источника клеточной энергии.

Любая клетка с ядром содержит нуклеиновую кислоту в форме ДНК. Существуют различные исключения из правила. Некоторые клетки теряют свое ядро ​​и ДНК в процессе старения, такие как зрелый красный кровь клетки, корнеоциты и кератиноциты. Тромбоциты крови иногда упоминаются как не содержащие ни ядра, ни ДНК; однако тромбоциты представляют собой фрагменты мегакариоцитов и не считаются действительными клетками. Одноклеточные организмы (прокариоты), такие как бактерии не имеют ядра, но содержат свободные нити ДНК в цитоплазма, как показано ниже.

Структура нуклеиновой кислоты ДНК

Структура ДНК, всемирно признанной двойной спирали, основана на двух нитях сахарофосфатного остова, удерживаемых вместе азотистыми базовыми веретенами. ДНК содержит четыре азотистых основания или нуклеиновых основания: аденин, тимин, цитозин и гуанин. Это природные соединения, которые дают каждому нуклеотид Его название и подразделяются на две группы – пиримидины и пурины. В то время как пиримидиновые цитозин, тимин и урацил (см. РНК) представляют собой небольшие конструкции с одним кольцом, аденин и гуанин имеют более крупные и двойные кольца. Это различие в форме и размерах и последующее различие в электрическом заряде является важным, поскольку оно допускает только конкретные дополнительные пары между различными типами групп; в ДНК аденин будет связываться только с тимином, а цитозин будет связываться только с гуанином. Это создает азотистые базовые шпиндели одинаковой длины и зеркальное отображение на противоположной нити.

Форма двойной спирали ДНК обусловлена ​​формой нуклеотидов мономера. Когда асимметричные молекулы сложены одна поверх другой, часто получается спираль. В ДНК каждая нить идет параллельно друг другу или в противоположных направлениях.

Читайте также:
Кольчатые черви - характеристика представителей, виды, строение

Нуклеотидный мономер, который составляет единственное звено цепи полимера ДНК, образован из нуклеиновой основы, фосфатной группы и пятиуглеродного (пентозного) сахара, называемого 2-дезоксирибоза, «Дезокси» относится к потере атома кислорода по отношению к другой форме пентозного сахара, известной как рибоза (см. РНК). Этот недостаток атома кислорода также играет роль в спиральной структуре ДНК. На следующем изображении показана разница в химической структуре этих двух пентозных сахаров. Обратите внимание на отсутствие красной молекулы кислорода на втором углероде дезоксирибозы слева.

Дезоксирибоза ковалентно связывается с фосфатной группой. Это производит цепь, известную как сахарно-фосфатный остов. Эта структура оставляет каждое нуклеотидное основание открытым и свободным для связи с правильным нуклеотидным основанием на противоположной цепи.

РНК находится в каждом типе клеток. Это важно для производства белков посредством репликации генетической информации. Используя ДНК-схему, РНК в различных формах копирует и передает закодированные генетические данные в клеточные рибосомы. В свою очередь, рибосомы переводят эти данные в форму белков. РНК не связана с двухспиральной структурой ДНК. Тем не менее, он обладает способностью формировать эту структуру на временный период и существует в отдельных нитях различной длины. Даже в двуядерных эритроцитах РНК продолжает осуществлять процесс транскрипция, Это потому, что биосинтез белка необходим для каждой реакции в живом организме.

Типы РНК

РНК имеет четыре основные формы, названные в соответствии с ее конкретной ролью. Они известны как мессенджер РНК (мРНК ), перенос РНК (тРНК ), рибосомная РНК (рРНК) и некодирующая РНК (нкРНК). Три из них – мРНК, тРНК и рРНК – отвечают за выработку белков из одного аминокислоты в соответствии с планом ДНК. Некодирующая РНК – это широкая группа рибонуклеиновых кислот, которые не продуцируют белки посредством кодов ДНК. Исследования в этой группе все еще находятся в зачаточном состоянии, и многие из них относятся к категории, известной как «мусорная» РНК. Однако большие количества определенных типов РНК могут указывать функции в таких областях, как хромосома структура, гомеостаз и клетка физиология.

Структура нуклеиновой кислоты РНК

По структуре РНК очень похожа на ДНК. Основные отличия: отсутствие структуры с двойной спиралью, рибоза вместо дезоксирибозы и урацил вместо тимина.

РНК в основном обнаруживается в единичных или сложенных формах. Он имеет тенденцию образовывать двойную спираль только на временной основе. Пентозный сахар в форме рибозы, который является частью сахарофосфатного остова РНК, имеет дополнительный атом кислорода на втором атоме углерода, который образует гидроксильная группа, Нуклеиновая основа урацила, специфичная для РНК, заменяет тимин, обнаруженный в ДНК. Изображение ниже ясно показывает эти структурные и элементные различия.

Структура нуклеиновой кислоты

Нуклеиновые кислоты могут образовывать огромные полимеры, которые могут принимать различные формы. Таким образом, существует несколько способов обсуждения структуры нуклеиновой кислоты. «Структура нуклеиновой кислоты» может означать нечто такое простое, как последовательность нуклеотидов в куске ДНК. Или это может означать что-то настолько сложное, как то, как складывается молекула ДНК и как она взаимодействует с другими молекулами.

Вот немного о каждом уровне структуры нуклеиновой кислоты:

Первичная структура

Нуклеотиды – строительные блоки нуклеиновых кислот и «буквы» генетического «кода» – состоят из двух компонентов:

  • Азотистое основание, такое как аденин, цитозин, гуанин и тимин или урацил. ДНК и РНК имеют четыре возможных азотистых основания; где ДНК использует тимин, или «Т», РНК использует урацил, или «U» вместо тимина. Каждое из этих четырех оснований обладает различными свойствами связывания, гарантируя, что клетка не «смешивает» одну букву с другой. Тимин и урацил имеют почти идентичные структуры и свойства, что позволяет им выполнять сходные роли в двух разных типах нуклеиновых кислот.
  • Сахарофосфатный остов, который позволяет связывать азотистые основания. Сахар каждого нуклеотида может связываться с фосфатом другого нуклеотида, становясь единой молекулой. Когда многие нуклеотиды связаны вместе, угол этой связи фосфат-сахар чаще всего превращает нить в спираль. Вот почему ДНК, которая является двухцепочечной, естественно принимает форму двойная спираль, Первичная структура нуклеиновой кислоты относится к последовательности ее нуклеотидных оснований и тому, как они ковалентно связаны друг с другом. Следовательно, последовательность «букв» в цепи ДНК или РНК является частью ее первичной структуры, как и спиральная или двойная спиральная форма.

Вторичная структура

Вторичная структура относится к тому, как нуклеотидные основания образуют водородную связь друг с другом и какую форму это создает из их двух цепей. Водородные связи, которые образуются между комплементарными основаниями двух цепей нуклеиновой кислоты, весьма отличаются от Ковалентная связь который образуется между сестринскими мономерами в цепи нуклеиновой кислоты.

Связи между основаниями в одной цепи нуклеиновой кислоты являются ковалентными – они полностью разделяют свои электроны и связаны так, что их очень трудно разорвать. Атомы, связанные ковалентными связями, являются частью одной и той же молекулы. С другой стороны, водородные связи представляют собой слабые связи, возникающие из-за слабых временных притяжений между положительно заряженными ядрами водорода и электронами других атомов. Молекулы на самом деле не разделяют электроны, поэтому их можно довольно легко разделить. Изменения факторов окружающей среды, таких как кислотность, также могут нарушать водородные связи.

Наиболее распространенная вторичная структура, с которой мы знакомы, – это двойная спираль, которая образуется, когда две комплементарные нити водородной связи ДНК связаны друг с другом. Возможны и другие структуры, такие как «стволовая петля», которая возникает, когда отдельная молекула РНК сворачивается назад и образует водородные связи с самим собой, или четырехрукая структура, которая может возникать, когда четыре разные цепи водородной связи нуклеиновой кислоты с разными части друг друга. Считается, что некоторые из этих вторичных структурных возможностей используются, чтобы помочь контролировать ген выражение и выполнять другие биологические функции. В целом, ферменты транскрипции будут экспрессировать только те гены, к которым они имеют доступ. Если фрагмент гена или РНК «связан» в клубке нуклеиновых кислот, ферменты могут быть менее вероятно его достичь. Гены в более открытых, простых вторичных структурах, с другой стороны, могут с большей вероятностью быть экспрессированными.

Читайте также:
Динозавры - виды и названия, когда и почему вымерли, легенды

Третичная структура

Третичная структура относится к положению атомов нуклеиновой кислоты в пространстве. Есть несколько общих измерений, которые обсуждаются, когда речь идет о третичной структуре нуклеиновой кислоты, в том числе:

  • «Ручность» Асимметричные молекулы очень похожи на наши руки. Например, каждая из наших рук имеет одинаковую форму – одинаковые компоненты связаны друг с другом одинаково. Но наши руки явно не взаимозаменяемы. Это потому, что у одной из наших рук большой палец справа, а у другой большой палец слева. Вместо того чтобы быть идентичными взаимозаменяемыми структурами, наши руки являются зеркальным отражением друг друга. Точно так же асимметричные молекулы с одинаковыми частями и связностью могут быть идентичными или они могут быть зеркальными изображениями друг друга. Некоторые молекулы «правши», в то время как другие являются «левосторонними» их зеркальными изображениями. Когда речь идет о биологических молекулах, «решимость» может иметь решающее значение для определения воздействия химического вещества на организм. Для некоторых лекарств и ядов только один стереоизомер взаимодействует с ферментами нашего организма. Одна молекула может не повлиять на нас, в то время как ее зеркальное отображение может быть полезным или смертельным.
  • Длина витка спирали.

Хотя любая асимметричная молекула может иметь стереоизомер, как вы можете догадаться, «длина поворота спирали» довольно уникальна для нуклеиновых кислот.

Угол связей между нуклеотидами заставляет большинство нуклеиновых кислот образовывать форму спирали. Но небольшие различия в форме спирали могут вызвать различия во взаимодействии спирали с нашими ферментами и другими молекулами. Так что детали этой формы спирали могут быть важны!
Количество пар оснований за ход.

Это еще одна мера точной формы и свойств спирали нуклеиновой кислоты. Это может быть химически и биологически важным, поскольку оно определяет, какие ферменты и молекулы могут влиять на ДНК или РНК.

Разница в размерах между основными и второстепенными канавками.

В двойной спирали нуклеиновой кислоты «основная канавка» – это более широкий путь, который открывается между двумя двумя цепями нуклеиновой кислоты. «Малая борозда» является более узкой. В некоторых случаях эти бороздки могут служить сайтами связывания для других молекул.

Размеры главных и второстепенных канавок могут варьироваться в зависимости от нескольких факторов, включая химическую среду двойной спирали. Все, что влияет на прочность водородных связей, может повлиять на размер основных и второстепенных канавок.

Четвертичная структура

Четвертичная структура относится к большим формам и структурам, которые могут быть сделаны нуклеиновыми кислотами. Подобно аминокислотам и белкам, нуклеиновые кислоты могут образовывать большие структуры. Форма этих структур может быть важна для их функций.

Примеры четвертичных структур нуклеиновых кислот включают хроматиды – огромные молекулы ДНК, которые плотно упакованы для хранения и транспортировки во время деление клеток – и рибосомы, которые представляют собой органеллы, сделанные частично из РНК.

Некоторые рибозимы также выполняют свою работу частично благодаря использованию четвертичной структуры. Это позволяет им взаимодействовать со своими субстратами. Как и ферменты из белка, рибозимы должны точно соответствовать подложка чтобы катализировать его химические реакции.

Нуклеиновые кислоты

Средняя оценка: 4.8

Всего получено оценок: 475.

Средняя оценка: 4.8

Всего получено оценок: 475.

Полимерные молекулы, состоящие из нуклеотидов, называются нуклеиновыми кислотами. Они образуют ДНК и РНК и несут наследственную информацию. Подробнее о строение нуклеиновых кислот говорим в этой статье.

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.

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.

Урок по теме “Нуклеиновые кислоты. Их строение и функции”

Разделы: Биология

Цель: Сформулировать знания об особой роли нуклеиновых кислот в живой природе хранение и передаче наследственной информации. Охарактеризовать особенности строения молекул нуклеиновых кислот как биополимеров, локализацию этих кислот в клетке.

Задачи:

  • Образовательные: ввести понятие нуклеиновых кислот, раскрыть особенности их состава и строения, функций, познакомить с азотистыми основаниями и пространственной организацией ДНК и РНК, основными видами РНК, определить черты сходства и различия между РНК и ДНК, сформировать понятие об энергетическом веществе клетки – АТФ, изучить строение и функции этого вещества.
  • Развивающие: развивать умения сравнивать, оценивать, составлять общую характеристику нуклеиновых кислот, развитие воображения, логическое мышление, внимание и память.
  • Воспитывающие: воспитывать дух соревнования, коллективизма, точность и быстроту ответов; осуществлять эстетическое воспитание, воспитание правильного поведения на уроке, профориентация.

Новые знания: нуклеотид, комплементарность, хромосома, триплет, ген, транскрипция, трансляция, кодон, антикодон.

Опорные знания: белки, углеводы, липиды, стероиды, денатурация, ренатурация.

Форма проведения урока: урок

Методы проведения урока: словесный, наглядный, логический.

Тип урока: урок усвоения новых знаний

Оборудование: рисунки учебника, таблицы, модель ДНК.

Ход урока

Актуализация чувственного опыта и опорных знаний учащихся

На последних уроках мы изучали химический состав клетки. Скажите, существуют ли различия на химическом уровне между живой и неживой природой.

В чем они проявляются?

Перечислите органические вещества клетки.

Какие из них относятся к биологическим полимерам?

Перечислите функции, которые выполняют в клетке и в организме белки.

Объясните, почему пересаженные от одного организма ткани или органы отторгаются?

Установлено, что при достаточной калорийности пищи, но при отсутствии в ней белка у животных наблюдаются патологические явления: останавливается рост, изменяется состав крови и т. д. С чем это связано?

Мотивация

Я думаю, что многие из вас слышали о расшифровке генома человека. У нас в России эта программа существует с 1989 г. Работая над этой программой, ученые преследовали возвышенную цель – прочесть книгу жизни, т.е. раскрыть всю наследственную информацию человека, ставили и ставят чисто практические задачи. Прежде всего, это относится к наследственным болезням (их насчитывают около 4000), которые являются тяжелым бременем для человеческого общества. Информация об исследованиях и новых открытиях генетиков звучит с экранов телевизоров, встречается на полосах газет. И не может современный человек, кем бы он ни был: слесарем, инженером, водителем или… не интересоваться, не задумываться над вопросами наследственности. Сейчас совершенно невозможно оставаться в стороне от обилия информации.

И сегодня на уроке мы с вами только прикоснемся к тайне генов и материальной основы наследственности.

Первичное восприятие и осознание учащимися нового материала

1. Нуклеиновые кислоты

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ – биологические полимерные молекулы, хранящие всю информацию об отдельном живом организме, определяющие его рост и развитие, а также наследственные признаки, передаваемые следующему поколению.

Впервые они были описаны в 1869 году швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером. Из остатков клеток, содержащихся в гное, он выделил вещество, в состав которого входят азот и фосфор. Ученый назвал это вещество нуклеином (лат. nucleus– ядро), полагая, что оно содержится лишь в ядрах клеток. Позднее небелковая часть этого вещества была названа нуклеиновой кислотой.

Значение нуклеиновых кислот в клетке очень велико. Особенности их химического строения обеспечивают возможность хранения, переноса и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой ткани на определенном этапе индивидуального развития. Поскольку большинство свойств и признаков клеток обусловлено белками, то понятно, что стабильность нуклеиновых кислот – важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и целых организмов. Любые изменения строения нуклеиновых кислот влекут за собой изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя, таким образом, на их жизнеспособность.

В природе существуют нуклеиновые кислоты двух типов – ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота).

Дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК) — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная роль ДНК в клетках — долговременное хранение информации о структуре РНК и белков.

Рибонуклеи́новые кисло́ты (РНК) — одна из трех основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.

ДНК и РНК полимеры. А если они полимеры, то должны существовать мономеры или мономерные звенья. Этими мономерными звеньями являются нуклеотиды.

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 – пиримидиновые и пуриновые основания. Пиримедин и пурин это гетероциклические соединения (содержат в цикле гетеро атомы).

Приведем примеры пиримидиновых и пуриновых оснований. Важно то, что у этих оснований разные размеры. Два из них, тимин и цитозин (сокращенно их обозначают первыми буквами — Т и Ц), относятся к группе так называемых пиримидинов и отличаются сравнительно небольшой величиной. Два других — аденин (А) и гуанин (Г) относятся к пуринам и по размерам почти вдвое превосходят своих пиримидиновых собратьев.

Молекула ДНК содержит моносахарид дезоксирибозу, РНК – рибозу.

Рассмотрим строение фосфорной кислоты сахарный остаток углевод пентоза (2 – дезоксирибоза, β – рибоза). Разница у этих веществ в их строении. У дезоксирибозы на один кислород меньше.

Строение молекул нуклеиновых кислот.

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.

Обычно молекула ДНК рассматривается как 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. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов, в результате чего формируются пары А – Т; Г – Ц, называется комплементарностью. Толщина спирали равна 20 Å (2 нм); шаг спирали составляет 34 Å (3,4 нм), на один виток спирали приходится 10,5 пар нуклеотидов.

Длина ДНК измеряется числом пар нуклеотидов (сокращ. – пн). Длина одной молекулы ДНК колеблется от нескольких тысяч пн (сокращ. – тпн) до нескольких миллионов пн (мпн). Например, у наиболее простых вирусов длина ДНК составляет примерно 5 тпн, у наиболее сложных вирусов – свыше 100 тпн, у дрожжей – 13,5 мпн, у мушки дрозофилы – 105 мпн, у человека – 2900 мпн (размеры ДНК даны для минимального набора хромосом – гаплоидного).

Молекула ДНК обладает уникальной способностью к самовоспроизведению (к удвоению). Удвоение ДНК – репликация. Под влиянием ферментов водородные связи между азотистыми основаниями рвутся и молекула « расплетается». Две цепи расходятся и вдоль каждой образуются новые, согласно принципу комплементарности. В результате из одной молекулы ДНК получаются две абсолютно идентичные, только дочерние состоят из одной старой цепи и одной новой.

Таким образом, ДНК передает, хранящуюся в ней информацию о структуре белковых молекул.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК) – это нуклеиновые кислоты, мономерами которых являются рибонуклеотиды. В пределах одной молекулы РНК имеется несколько участков, которые комплементарны друг другу. Между такими комплементарными участками образуются водородные связи. В результате в одной молекуле РНК чередуются двуспиральные и односпиральные структуры, и общая конформация молекулы напоминает клеверный лист на черешке. Азотистые основания, входящие в состав РНК, способны образовывать водородные связи с комплементарными основаниями и ДНК, и РНК. При этом азотистые основания образуют пары А=У, А=Т и Г≡Ц. Благодаря этому возможна передача информации от ДНК к РНК, от РНК к ДНК и от РНК к белкам.

В клетках обнаруживается три основных типа РНК, выполняющих различные функции:

1. Информационная, или матричная РНК (иРНК, или мРНК). Составляет 5% клеточной РНК. Служит для передачи генетической информации от ДНК на рибосомы при биосинтезе белка. В эукариотических клетках иРНК (мРНК) стабилизирована с помощью специфических белков. Это делает возможным продолжение биосинтеза белка даже в том случае, если ядро неактивно.

2. Рибосомная, или рибосомальная РНК (рРНК). Составляет 85% клеточной РНК. Входит в состав рибосом, определяет форму большой и малой рибосомных субъединиц, обеспечивает контакт рибосомы с другими типами РНК.

3. Транспортная РНК (тРНК). Составляет 10% клеточной РНК. Транспортирует аминокислоты к соответствующему участку иРНК в рибосомах. Каждый тип тРНК транспортирует определенную аминокислоту.

Кроме того, в клетках имеются и другие типы РНК, выполняющие вспомогательные функции.

Все типы РНК образуется в результате реакций матричного синтеза. В большинстве случаев матрицей служит одна из цепей ДНК. Таким образом, синтез РНК на матрице ДНК является гетерокаталитической реакцией матричного типа. Этот процесс называется транскрипцией и контролируется определенными ферментами – РНК–полимеразами (транскриптазами).

Генетический код обладает следующими основными свойствами:

1. Генетический код триплетен: каждая аминокислота кодируется триплетом нуклеотидов ДНК и соответствующим триплетом иРНК. При этом кодоны не отделены друг от друга (отсутствуют «запятые»).

2. Генетический код является избыточным (вырожденным): почти все аминокислоты могут кодироваться разными кодонами. Только двум аминокислотам соответствует по одному кодону: метионину (АУГ) и триптофану (УГГ). Зато лейцину, серину и аргинину соответствует по 6 разных кодонов.

3. Генетический код является неперекрывающимся: каждая пара нуклеотидов принадлежит только одному кодону (исключения обнаружены у вирусов).

4. Генетический код един для подавляющего большинства биологических систем. Однако имеются и исключения, например, у инфузорий и в митохондриях разных организмов. Поэтому генетический код называют квазиуниверсальным.

Осмысление внутренних закономерностей, связей между изучаемыми предметами (явлениями) в процессе мыслительной работы и выполнения познавательных заданий.

А. Мономерная единица нуклеиновой кислоты

Б. Двухцепочечный биологический полимер, мономерами которого являются нуклеотиды, содержащие дезоксирибозу.

В. Способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне.

Г. Одноцепочный, линейный биологический полимер, мономерами которого являются нуклеотиды, содержащие рибозу.

Д. Молекула у которой один конец несет небольшой положительный заряд, а другой – отрицательный.

Дом. Задание: параграф 22.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: