Нуклеарные кислоты. Какие функции в клетке выполняют нуклеиновые кислоты? Структура и функции нуклеиновых кислот

Вопрос 1. Что такое нуклеиновые кислоты?

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

Вопрос 2. Какие типы нуклеиновых кислот вы знаете?

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

Вопрос 3. Чем различается строение молекул ДНК и РНК?

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

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

Вопрос 4. Назовите функции ДНК.

Выделяют три основные функции ДНК.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Строение нуклеотидов

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

пятиуглеродного сахара (пентозы),

азотистого основания,

фосфорной кислоты.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Строение нуклеиновых кислот

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

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

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

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

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

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

Строение нуклеиновых кислот.

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

В качестве моносахарида выступает одно из этих соединений:

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

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

Нуклеотид - основная структурная единица нуклеиновых кислот - мономер.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3. На полный виток спираль приходится 10 нуклеотидов.

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

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

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

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

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

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

Биологическая роль нуклеиновых кислот.

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

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

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

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

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

Вспомните!

Почему нуклеиновые кислоты относят к гетерополимерам?

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

Что является мономером нуклеиновых кислот?

Нуклеотиды

Какие функции нуклеиновых кислот вам известны?

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

Какие свойства живого определяются непосредственно строением и функциями нуклеиновых кислот?

Наследственность, изменчивость, размножение

Вопросы для повторения и задания

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

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

2. Какие типы нуклеиновых кислот вы знаете?

ДНК, РНК: и-РНК, т-РНК, р-РНК.

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

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

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

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

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

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

и-РНК, т-РНК, р-РНК.

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

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

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

Все виды РНК синтезируются на матрице ДНК.

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

Да, в состав РНК входит рибоза.

В состав ДНК входи дезоксирибоза.

Виды РНК не возможно будет по одному моносахариду распознать.

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

А-Г-Ц-Г-Ц-Ц-Ц-Т-А

Т-Ц-Г-Ц-Г- Г-Г-А-Т

Подумайте! Вспомните!

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

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

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

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

Молекулярные основы наследственности и изменчивости

1. Нуклеиновые кислоты, их строение, функции и генезис

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

3. Регуляция экспрессии генов

Нуклеиновые кислоты, их строение и функции

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

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

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

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

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

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

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

Нуклеиновые кислоты

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

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

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

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

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

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

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