Нуклеиновые кислоты – днк и рнк, биология

Нуклеиновые кислоты получили своё название исходя из места их наибольшей концентрации. В ядрах клеток их наибольшее количество. Ядро — от латинского «нуклеус». Поэтому и кислоты называют нуклеиновыми.

Помимо ядра, нуклеиновые кислоты также обнаружены в цитоплазме, митохондриях и пластидах.

Нуклеиновые кислоты состоят из мономеров нуклеотидов. А нуклеотиды состоят из фосфорной группы, пятиуглеродного сахара (пентозы) и азотистого основания.

Остаток фосфорной кислоты, связанный с пятым атомом С (углерода) в пентозе,

может соединятся ковалентной связью с гидроксильной группой возле третьего атома С (углерода) другого нуклеотида.

На одном конце нуклеотидной цепочки располагается фосфат, он связан с пятым атомом пентозы. Этот конец называют (пять штрих) конец.

На другом конце около третьего атома пентозы остаётся не связанная с фосфатом ОН

группа — это (три штрих) конец.

При соединении двух нуклеотидов между углеродом остатка сахара одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает сложноэфирная связь. Таким образом, остатки сахаров двух нуклеотидов оказываются связаны фосфодиэфирными мостиками.

Возникновение фосфодиэфирных мостиков между 3' и 5'— углеродами остатков сахаров может происходить многократно. В результате образуются неразветвленные полинуклеотидные цепи.

• В зависимости от углеводного компонента нуклеотидов различают два класса нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).
• Название кислот обусловлено тем, что молекула РНК содержит рибозу, а ДНК содержит дезоксирибозу.
• Таким образом, нуклеиновые кислоты различаются по составу и строению молекул, а также по выполняемым в клетке функциям.
• Молекулы ДНК — это полимеры, мономерами которых являются дезоксирибонуклеотиды, образованные:
• ·         остатком пятиуглеродного сахара — дезоксирибозы;
• ·         остатком фосфорной кислоты;
• и остатком одного из азотистых оснований.

Азотистые основания, которые являются производными пурина, называют пуриновыми. К ним относят аденин и гуанин.

Азотистые основания, которые являются производными пиримидина, называют пиримидиновыми. К ним относят цитозин, тимин.  

Азотистые основания определяют названия соответствующих нуклеотидов: адениловый, гуаниловый, тимидиловый и цитидиловый.

Структура молекулы ДНК

Она состоит из двух спирально закрученных полинуклеотидных цепей, которые по всей длине соединены друг с другом водородными связями. Такую структуру, свойственную только молекулам ДНК, называют двойной спиралью.

Внешняя сторона спиральной молекулы образована чередующимися остатками дезоксирибозы и фосфатными группами. Азотистые основания находятся внутри спирали.

Структура спирали такова, что входящие в её состав полинуклеотидные цепи могут быть разделены только после раскручивания спирали.

Диаметр двойной спирали ДНК составляет 2 нм, шаг общей спирали, на который приходится 10 пар нуклеотидов, — 3,4 нм.

1. Между аденином и тимином всегда возникают две, а между гуанином и цитозином — три водородные связи.
2. В связи с этим обнаруживается важная закономерность: против аденина одной цепи всегда располагается тимин другой цепи, против гуанина — цитозин и наоборот.

Таким образом, пары нуклеотидов аденин и тимин, а также гуанин и цитозин строго соответствуют друг другу и являются дополнительными (пространственное взаимное соответствие), или комплементарными (от лат. complementum — дополнение).

Комплементарностью называют способность нуклеотидов к избирательному соединению друг с другом.

Комплементарность обеспечивается взаимодополнением пространственных конфигураций молекул азотистых оснований;а также количеством водородных связей, возникающих между азотистыми основаниями.

Состав молекулы ДНК был известен задолго до открытия её структуры. В 1950 году американский биохимик Эрвин Чаргафф, обследовав огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, выявил следующующие закономерности, названные впоследствии правилами Чаргаффа.

Первое правило. Количество адениловых нуклеотидов в молекуле ДНК равно количеству тимидиловых, а количество гуаниловых — количеству цитидиловых.

Второе правило. Количество пуриновых азотистых оснований равно количеству пиримидиновых.

Третье правило Чаргаффа. Суммарное количество адениловых и цитидиловых нуклеотидов равно суммарному количеству тимидиловых и гуаниловых нуклеотидов, что следует из первого правила.

Джеймс Дью́и Уо́тсон и Фрэнсис Крик воспользовались этим правилом при построении модели молекулы ДНК. В 1953 году учёными была предложена трёхмерная модель пространственного строения молекулы ДНК в виде двойной спирали. За свои исследования они были удостоены Нобелевской премии.

Последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой, поэтому две цепи молекулы ДНК комплементарны друг другу.

Зная последовательность расположения нуклеотидов в одной цепи ДНК по принципу комплементарности, можно установить нуклеотиды другой цепи.

Фрагмент одной цепи ДНК имеет следующий состав: А—А—Г—Г—Ц—Ц—Ц—Т—Т—. Используя принцип комплементарности, достроим вторую цепь.

• Репликация молекулы ДНК
• Репликация — это сложный процесс самоудвоения молекулы ДНК, идущий с участием ферментов (ДНК— полимераз).

Это уникальное свойство молекулы ДНК — её способность к самоудвоению (воспроизведению точных копий исходной молекулы). Благодаря этой способности молекулы ДНК, осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним во время деления.

1. Репликация осуществляется полуконсервативным способом, то есть под действием ферментов молекула ДНК раскручивается.
2. Раскручивание молекулы происходит на небольшом отрезке (это несколько десятков нуклеотидов), называемом репликативной вилкой.
3. Около каждой цепи, выступающей в роли матрицы, по принципу комплементарности достраивается новая цепь.
4. В каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая вновь синтезированной (дочерней).

После окончания синтеза дочерних цепей ДНК раскручивается новый отрезок, и цикл репликации повторяется. Таким образом, репликативная вилка перемещается вдоль молекулы, пока не дойдёт до точки окончания синтеза.

ДНК— полимеразы способны двигаться в одном направлении — от 3'— конца к 5'— концу (от три штрих конца к пять штрих концу), строя дочернюю цепь антипараллельно — от 5' к 3'— концу. Эта цепь называется лидирующей.

Другая ДНК— полимераза движется по другой цепи (5'—3') в обратную сторону (тоже в направлении 3'к 5'), синтезируя вторую дочернюю цепь фрагментами (их называют фрагменты Оказаки).

Фрагменты Оказаки после завершения репликации сшиваются в единую цепь. Эта цепь называется отстающей.

Таким образом, на цепи 3'— 5' репликация идёт непрерывно, а на цепи 5'— 3' — прерывисто.

Строение молекулы РНК

В отличие от ДНК, она образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой. Обычно эта цепочка значительно короче цепей ДНК.

Рибонуклеиновые кислоты также является полимерами, мономерами которых служат рибонуклеотиды, образованные: остатком пятиуглеродного сахара — рибозы, остатком фосфорной кислоты и остатком одного из азотистых оснований. Три азотистых основания — аденин, гуанин и цитозин — такие же, как и у ДНК, а четвертым является урацил.

Нуклеотиды РНК, как и у ДНК, способны образовывать водородные связи между собой.

Информация о структуре молекулы РНК заложена в молекулах ДНК. Синтез молекул РНК происходит на матрице ДНК с участием ферментов РНК— полимераз и называется транскрипцией.

Если содержание ДНК в клетке относительно постоянно, то содержание РНК сильно колеблется. Наибольшее количество РНК в клетках наблюдается во время синтеза белка.

• Типы РНК
• Выделяют три основных типа РНК, различающихся по структуре, величине молекул, расположению в клетке и выполняемым функциям.
• Информационная РНК, (иногда её называют матричной), а сокращённо — иРНК;
• Транспортная РНК, или тРНК;
• Рибосомальная РНК — рРНК.
• Информационная РНК — этонаиболее разнообразный по размерам и стабильности класс.

Все они являются переносчиками генетической информации из ядра в цитоплазму. Они служат матрицей для синтеза молекулы белка, т. к. определяют аминокислотную последовательность первичной структуры белковой молекулы.

Другими словами, на информационную РНК списывается информация с ДНК. А потом уже с информационной РНК будет считываться информация для построения белков.

Транспортная РНК. В клетке этих молекул более30 разновидностей.

Каждый вид тРНК имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов. Третичная структура тРНК напоминает по форме лист клевера.

Аминокислоты, которые плавают в цитоплазме поступают в рибосому для дальнейшего построения белка ─ именно при помощи транспортной РНК.

Одна т— РНК несёт 1 аминокислоту. Однако т— РНК может захватить не любую аминокислоту, а строго определённую.

На вершине тРНК имеется последовательность трёх нуклеотидов, их называют антикодоном. Данный антикадон взаимосоответствует, то есть ─ комплементарен кодону в информационной РНК, с которым он связывается, и соответствует той аминокислоте, которую он переносит.

1. Подобнее данный процесс (синтез белка) будет рассмотрен позднее, на следующих уроках.
2. Рибосомальные РНК синтезируются в основном в ядрышке и составляют примерно 85% всех РНК клетки.
3. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы — органеллы, на которых происходит синтез белка.

Рибосомы построены из двух субъединиц разного размера и формы. На определённых стадиях белкового синтеза в клетке происходит разделение рибосом на субъединицы.

• Рибосомная РНК служит как бы каркасом рибосом и способствует первоначальному связыванию иРНК с рибосомой в процессе биосинтеза белка.
• рРНК формирует активный центр рибосомы, в котором происходит образование пептидных связей между аминокислотами в процессе синтеза полипептидной цепи. 
• Таким образом, различные типы РНК представляют собой единую функциональную систему, направленную на реализацию наследственной информации через синтез белка.
• Все типы РНК, за исключением генетической РНК вирусов, не способны к самоудвоению и самосборке.
• В качестве генетического материала РНК входят в состав ряда вирусов.
• Таким образом, нуклеиновые кислоты — это важнейшие биополимеры, которые содержатся во всех без исключения живых организмах.

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, выполняют структурные функции и др.

Нуклеиновые кислоты могут быть линейными и кольцевыми. Они могут состоять из одной или двух цепей.

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 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.

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.

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.

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)

Нуклеиновые кислоты: строение, функции — урок. Биология, Общие биологические закономерности (9–11 класс)

Все живые клетки содержат дезоксирибонуклеиновую и рибонуклеиновые кислоты (ДНК и РНК).

Нуклеиновые кислоты — это биополимеры, которые являются носителями генетической (наследственной) информации. 

Эти вещества хранят в закодированном виде, воспроизводят и передают информацию о первичной структуре всех белков, необходимых данному организму.

Строение молекул нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты являются биологическими полимерами, состоящими из нуклеотидов.

Нуклеотид — это вещество, образованное из азотистого основания, моносахарида (пентозы) и остатка фосфорной кислоты.

В состав нуклеотидов может входить два вида пентоз — рибоза и дезоксирибоза. В РНК содержится рибоза, а в ДНК — дезоксирибоза.

Азотистых оснований обнаружено пять: аденин, тимин, цитозин, гуанин и урацил. В обеих нуклеиновых кислотах есть аденин, цитозин и гуанин. Четвёртое основание в молекулах ДНК — это тимин, а в РНК — урацил.

Рис. (1). Состав ДНК и РНК

Нуклеотиды соединены в цепи за счёт связей между углеводом одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого. Азотистые основания остаются сбоку от цепи.

Есть ешё одно отличие нуклеиновых кислот: молекулы РНК состоят из одной полинуклеотидной цепи, а молекулы ДНК — из двух.

Рис. (2). Строение ДНК

В ДНК две цепи удерживаются вместе за счёт водородных связей между нуклеотидами аденином и тимином, цитозином и гуанином. Молекулы этих оснований соответствуют друг другу по размерам и расположению атомов. Такое соответствие называют комплементарностью. Между аденином и тимином образуется две водородные связи, а между цитозином и гуанином — три. 

Двойная молекула ДНК закручивается в виде спирали. Один виток спирали состоит из (10) нуклеотидов и имеет длину (0,34) нм.

Обрати внимание!

Особое строение нуклеиновых кислот встречается у вирусов — у них бывают одноцепочечные ДНК и двухцепочечные РНК.

В клетках присутствует три вида молекул РНК: информационные, или матричные (иРНК, или мРНК), рибосомные (рРНК) и транспортные (тРНК). Каждый вид РНК выполняет свою функцию в процессе синтеза белка.

Нуклеиновые кислоты открыты в (1868) году Ф. Мишером, а пространственное строение молекулы ДНК смоделировано Дж. Уотсоном и Ф. Криком в (1953) г.

Источники:

Рис. 1. Состав ДНК и РНК. © ЯКласс.

Рис. 2. Строение ДНК. © ЯКласс.

Нуклеиновые кислоты – виды, строение и функции

Виды нуклеотидов

В природе существует два вида нуклеиновых кислот — рибонуклеиновые (РНК) и дезоксирибонуклеиновые (ДНК). Основанием каждой из них является азотистое основание, остаток фосфорной кислоты и пятиуглеродный сахар.

В состав ДНК входит четыре разновидности нуклеотидов, отличие которых заключается в азотистом соединении:

• А — аденин;
• Т — тимин;
• Ц — цитозин;
• Г — гуанин.

Что касается РНК, то они тоже имеют несколько видов в зависимости от азотистого основания:

• У — урацилом;
• Ц — цитозин;
• Г — гуанин;
• А — аденин.

Поговорим и о физических свойствах нуклеотидов. Они легко растворяются в воде, но при этом практически нерастворимы в растворителях, имеющих органическое происхождение. Очень восприимчивы к температурным перепадам, а также критическим показателям значения уровня рН.

Молекулы ДНК обладают весомой молекулярной массой, благодаря чему могут фрагментироваться в результате механического воздействия.

Нуклеиновые кислоты и их строение

Прежде всего необходимо узнать, что нуклеотидами являются мономеры нуклеиновых кислот. Они соединены между собой линейно, формируя длинные молекулярные соединения нуклеиновых кислот. Самыми длинными полимерами являются цепочки молекул ДНК. Как правило, длина молекул РНК значительно меньше, но при этом может отличаться (зависит от типа).

При формировании полинуклеотидного соединения остатки фосфорной кислоты взаимодействуют с трехатомным углеродом пентозы. Аналогичная связь формируется между фосфорной кислотой и пятиатомным углеродом сахара непосредственно в нуклеиновой кислоте.

Исходя из этого, индивидуальная характеристика нуклеиновой кислоты — это последовательность пентозы с мостиками фосфорных кислот. Азотистые основания отделяются по сторонам.

Стоит добавить, что молекулы ДНК не только длиннее в сравнении с РНК, но и состоят из нескольких цепей, которые соединены между собой химически водородными связями. Такие структурные связи формируются по принципу комплементарности: гуанин комплементарен цитозину, а аденин — тимину.

Нуклеотиды содержат в себе такие вещества:

Нуклеотиды	Остаток фосфорной кислоты	Соединения азота	Пятиуглеродный сахар
РНК	+	Рибоза
ДНК	+	Дезоксирибоза

Образоваться такие связи могут и в структурах РНК, но водородные связи формируются между нукленовыми кислотами одной цепи.

Функции нуклеотидов

Местонахождение в клетках аминокислот, белка и нуклеотидов поддерживает их жизнедеятельность, а также сохранение, передачу и верную реализацию генетической наследственности. Стоит в отдельности рассмотреть функции ДНК, РНК и их разновидностей в жизни живых организмов.

Значение ДНК

В клетках ДНК вся информация в основном сосредоточена в ядре клетки.

Бактериальная среда, как правило, в формуле занимает одну кольцевую молекулу, находится в неправильной формы образовании в цитоплазме, именуемым нуклеотидом.

Гены, входящие в состав наследственной информации генома, являются единицей передачи генетической наследственности. Признак частицы — открытая рама считывания.

1. Самая важная биологическая функция вида — генетическая, клетка является носителем генетической информации (благодаря этой особенности, каждый вид на планете обладает своими индивидуальными особенностями).
2. Наследственную информацию ДНК способно передавать в ряду целых поколений не без дополнительного участия и РНК.
3. Осуществляет процессы регуляции биосинтеза белка.

Хранение и передача информации (генетической предрасположенности) осуществляется за счет биосинтеза белка посредством и-РНК, т-РНК.

Свойства РНК

В природе различают три разновидности РНК, каждая из которых предназначена для выполнения особой роли в осуществлении синтеза белка.

1. Транспортная предназначена для транспортировки активированных аминокислот по организму к рибосомам. Это необходимо для осуществления синтеза полипептидных молекул. Исследования показали, что одна транспортная молекула способна связаться лишь с одной из 20 аминокислот. Они служат в качестве транспортировщиков специфических аминокислот и углеводов. Длина транспортной цепи значительно короче матричной, в состав входит приблизительно 80 нуклеотидов, визуально имеет вид клеверного листа.
2. Матричная занимается копированием наследственного кода из ядра в цитоплазму. За счет этого процесса осуществляется синтез разнообразных белков. Схема строения представляет собой одноцепочную молекулу, она является неотъемлемой составляющей цитоплазмы. В составе молекулы содержится до нескольких тысяч нуклеотидов, они занимаются транспортировкой наследственной информации через мембрану ядра к очагу синтеза на рибосоме. Копирование информации осуществляется посредством транскрипции.
3. Рибосомная задействует около 73 белков для формирования рибосом. Они собой представляют клеточные органеллы, на которых осуществляется сбор полипептидных молекул. Основные задачи рибосомной молекулы — это формирование центра рибосомы (активного); неотъемлемый структурный элемент рибосом, обеспечивающий их правильное функционирование; первоначальное взаимодействие рибосомы с кодоном-инициатором для выявления рамки считывания; обеспечение взаимодействия рибосомных молекул с транспортными.

История исследований

На протяжении десятилетий ведущие ученые мира занимались исследованием нуклеотидов. Рассмотрим более подробно историю изучения нуклеотидов.

• Из экстракта мышц быка в 1847 году было изъято вещество, которое в скором было названо «инозиновая кислота». Это вещество и стало первым изученным в мире нуклеотидом. В течение нескольких последующих десятилетий ученые занимались изучением его химического строения.
• Немного позднее швейцарским выдающимся химиком было открыто новое вещество, в составе которого содержался фосфор. Вещество не разрушалось под действием ферментов протеолитов. Также ему были свойственны выраженные кислотные свойства. Вещество было названо «нуклеин».
• Рихард Альтман в 1889 году ввел в науку термин «нукленовая кислота», а также изобрел способ извлечения нуклеотидов, в составе которого отсутствуют белковые примеси.
• В 40-х годах XX века научная группа под руководством Тодда Александера проводила масштабные синтетические лабораторные исследования в области нуклеозидов и нуклеотидов. Результат их опытов — изучение всех деталей стереохимии и химического строения нуклеотидов. Благодаря этим работам, выдающийся ученый в 1958 года был награжден Нобелевской премией в области химии.
• Чаргаффом в 1951 году была выявлена закономерность содержания в кислотах нуклеотидов разных видов. Впоследствии результаты исследований получили название Правила Чаргаффа.
• Несколькими годами позднее была подтверждена вторичная структура ДНК. Двойную спираль открыли биологи и химики Крик и Уотсон.

Нуклеотиды — это неотъемлемая составляющая каждой клетки живого организма, обеспечивающая ее жизнедеятельность, а также хранение, транспортировку и реализацию наследственной (генетической) наследственности. Ученые посвятили годы изучению видов и строения молекул, что открывает перед человеком большие возможности.