Нуклеиновые кислоты были открыты в 1868 г. швейцарским ученым Ф. Мишером.
В организмах существует несколько видов нуклеиновых кислот, которые встречаются в различных органоидах клетки – ядре, митохондриях, пластидах.
К нуклеиновым кислотам относятся ДНК, и-РНК, т-РНК, р-РНК
.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)
– линейный полимер, имеющий вид двойной спирали, образованной парой антипараллельных комплементарных (соответствующих друг другу по конфигурации) цепей. Пространственная структура молекулы ДНК была смоделирована американскими учеными Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком в 1953 г.
Мономерами ДНК являются нуклеотиды
.
Каждый нуклеотид
ДНК
состоит из пуринового (А – аденин или Г – гуанин) или пиримидинового (Т – тимин или Ц – цитозин) азотистого основания
, пятиуглеродного сахара
– дезоксирибозы и фосфатной группы
.
Нуклеотиды в молекуле ДНК обращены друг к другу азотистыми основаниями и объединены парами в соответствии с правилами комплементарности
: напротив аденина расположен тимин, напротив гуанина – цитозин. Пара А – Т соединена двумя водородными связями, а пара Г – Ц – тремя. При репликации (удвоении) молекулы ДНК водородные связи рвутся и цепи расходятся и на каждой из них синтезируется новая цепь ДНК. Остов цепей ДНК образован сахарофосфатными остатками.
Последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК определяет ее специфичность
, а также специфичность белков организма, которые кодируются этой последовательностью. Эти последовательности индивидуальны и для каждого вида организмов, и для отдельных особей.
Пример
:
дана последовательность нуклеотидов ДНК: ЦГА – ТТА – ЦАА.
На информационной РНК (и-РНК) будет синтезирована цепь ГЦУ – ААУ – ГУУ, в результате чего выстроится цепочка аминокислот: аланин – аспарагин – валин.
При замене нуклеотидов в одном из триплетов или их перестановке этот триплет будет кодировать другую аминокислоту, а, следовательно изменится и белок, кодируемый данным геном. Изменения в составе нуклеотидов или их последовательности называются мутацией
.
Рибонуклеиновая кислота (РНК)
– линейный полимер, состоящий из одной цепи нуклеотидов. В составе РНК тиминовый нуклеотид замещен на урациловый (У). Каждый нуклеотид РНК содержит пятиуглеродный сахар – рибозу, одно из четырех азотистых оснований и остаток фосфорной кислоты.
Синтезируются РНК в ядре. Процесс называется транскрипция
- это биосинтез молекул РНК на соответствующих участках ДНК; первый этап реализации генетической информации в клетке, в процессе которого последовательность нуклеотидов ДНК «переписывается» в нуклеотидную последовательность РНК.
Молекулы РНК формируются на матрице, которой служит одна из цепей ДНК, последовательность нуклеотидов в которой определяет порядок включения рибонуклеотидов по принципу комплементарности. РНК-полимераза, продвигаясь вдоль одной из цепей ДНК, соединяет нуклеотиды в том порядке, который определен матрицей. Образовавшиеся молекулы РНК называют транскриптами
.
Виды РНК.
Матричная
или информационная
РНК. Синтезируется в ядре при участии фермента РНК-полимеразы. Комплементарна участку ДНК, на котором происходит синтез. Ее функция – снятие информации с ДНК и передача ее к месту синтеза белка – на рибосомы. Составляет 5% РНК клетки.
Рибосомная РНК
– синтезируется в ядрышке и входит в состав рибосом. Составляет 85% РНК клетки.
Транспортная РНК
– транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка. Имеет форму клеверного листа и состоит из 70-90 нуклеотидов.
Аденозинтрифосфорная кислота – АТФ
– представляет собой нуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, в двух из которых запасается большое количество энергии. При отщеплении одного остатка фосфорной кислоты освобождается 40 кДж/моль энергии. Способность запасать такое количество энергии делает АТФ ее универсальным источником. Синтез АТФ происходит в основном в митохондриях.
Таблица. Функции нуклеотидов в клетке.
Таблица. Сравнительная характеристика ДНК и РНК.
Тематические задания.
Часть А
А1
. Мономерами ДНК и РНК являются
1) азотистые основания
2) фосфатные группы
3) аминокислоты
4) нуклеотиды
А2
. Функция информационной РНК:
1) удвоение информации
2) снятие информации с ДНК
3) транспорт аминокислот на рибосомы
4) хранение информации
А3
. Укажите вторую цепь ДНК, комплементарную первой: АТТ – ГЦЦ – ТТГ
1) УАА – ТГГ – ААЦ
3) УЦЦ – ГЦЦ – АЦГ
2) ТАА – ЦГГ – ААЦ
4) ТАА – УГГ – УУЦ
А4
. Подтверждением гипотезы, предполагающей, что ДНК является генетическим материалом клетки, служит:
1) количество нуклеотидов в молекуле
2) индивидуальность ДНК
3) соотношение азотистых оснований (А = Т, Г= Ц)
4) соотношение ДНК в гаметах и соматических клетках (1:2)
А5
. Молекула ДНК способна передавать информацию благодаря:
1) последовательности нуклеотидов
2) количеству нуклеотидов
3) способности к самоудвоению
4) спирализации молекулы
А6
. В каком случае правильно указан состав одного из нуклеотидов РНК
1) тимин – рибоза – фосфат
2) урацил – дезоксирибоза – фосфат
3) урацил – рибоза – фосфат
4) аденин – дезоксирибоза – фосфат
Часть В
В1
. Выберите признаки молекулы ДНК
1) Одноцепочная молекула
2) Нуклеотиды – АТУЦ
3) Нуклеотиды – АТГЦ
4) Углевод – рибоза
5) Углевод – дезоксирибоза
6) Способна к репликации
В2
. Выберите функции, характерные для молекул РНК эукариотических клеток
1) распределение наследственной информации
2) передача наследственной информации к месту синтеза белков
3) транспорт аминокислот к месту синтеза белков
4) инициирование репликации ДНК
5) формирование структуры рибосом
6) хранение наследственной информации
Часть С
С1
. Установление структуры ДНК позволило решить ряд проблем. Какие, по вашему мнению, это были проблемы и как они решились в результате этого открытия?
С2
. Сравните нуклеиновые кислоты по составу и свойствам.
Пространственную модель молекулы ДНК в 1953 году предложили американские исследователи генетик Джеймс Уотсон (род. 1928) и физик Фрэнсис Крик (род. 1916). За выдающийся вклад в это открытие им была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 года.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) представляет собой биополимер, мономером которого является нуклеотид. В состав каждого нуклеотида входят остаток фосфорной кислоты, соединенный с сахаром дезоксирибозой, который, в свою очередь, соединен с азотистым основанием. Азотистых оснований в молекуле ДНК четыре вида: аденин, тимин, гуанин и цитозин.
Молекула ДНК состоит из двух длинных цепей, сплетенных между собой в виде спирали, чаще всего, правозакрученной. Исключение составляют вирусы, которые содержат одноцепочную ДНК.
Фосфорная кислота и сахар, которые входят в состав нуклеотидов, образуют вертикальную основу спирали. Азотистые основания располагаются перпендикулярно и образуют «мостики» между спиралями. Азотистые основания одной цепи соединяются с азотистыми основаниями другой цепи согласно принципу комплементарности, или соответствия.
Принцип комплементарности. В молекуле ДНК аденин соединяется только с тимином, гуанин – только с цитозином.
Азотистые основания оптимально соответствуют друг другу. Аденин и тимин соединяется двумя водородными связями, гуанин и цитозин – тремя. Поэтому на разрыв связи гуанин-цитозин требуется больше энергии. Одинаковые по размеру тимин и цитозин гораздо меньше аденина и гуанина. Пара тимин-цитозин была бы слишком мала, пора аденин-гуанин – слишком велика, и спираль ДНК искривилась бы.
Водородные связи непрочны. Они легко разрываются и так же легко восстанавливаются. Цепи двойной спирали под действием ферментов или при высокой температуре могут расходиться, как замок-молния.
5. Молекула рнк Рибонуклеиновая кислота (рнк)
Молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК) тоже является биополимером, который состоит из четырех типов мономеров – нуклеотидов. Каждый мономер молекулы РНК содержат остаток фосфорной кислоты, сахар рибозу и азотистое основание. Причем, три азотистых основания такие же, как в ДНК – аденин, гуанин и цитозин, но вместо тимина в РНК присутствует близкий ему по строению урацил. РНК – одноцепочечная молекула.
Количественное содержание молекул ДНК в клетках какого-либо вида практически постоянно, однако количество РНК может существенно меняться.
Виды рнк
В зависимости от строения и выполняемой функции различают три вида РНК.
1. Транспортная РНК (тРНК). Транспортные РНК в основном находятся в цитоплазме клетки. Они переносят аминокислоты к месту синтеза белка в рибосому.
2. Рибосомальная РНК (рРНК). Рибосомальная РНК связывается с определенными белками и образует рибосомы – органеллы, в которых происходит синтез белков.
3. Информационная РНК (иРНК), или матричная РНК (мРНК). Информационная РНК переносит информацию о структуре белка от ДНК рибосоме. Каждая молекула иРНК соответствует определенному участку ДНК, который кодирует структуру одной белковой молекулы. Поэтому для каждого из тысяч белков, которые синтезируются в клетке, имеется своя особенная иРНК.
(наряду с РНК), которые являются полимерами, а точнее - полинуклеотидами (мономер - нуклеотид).
ДНК отвечает за хранение и передачу при делении клеток генетического кода. Именно через молекулы ДНК реализуются наследственность и изменчивость. На ДНК синтезируются все виды РНК. Далее различные типы РНК совместно обеспечивают синтез белков клетки, т. е. реализуют генетическую информацию.
В клетках эукариот подавляющее количество ДНК находится в ядре, где они образуют комплексы с особыми белками, в результате чего образуются хромосомы. В клетках прокариот существует одна большая кольцевая (или линейная) молекула ДНК (также в комплексе с белками). Кроме того в клетках эукариот своя ДНК есть в митохондриях и хлоропластах.
В случае ДНК каждый нуклеотид состоит из 1) азотистого основания, которое может быть аденином, гуанином, цитозином или тимином, 2) дезоксирибозы, 3) фосфорной кислоты.
Последовательность нуклеотидов в цепочке ДНК определяет первичную структуру молекулы. Для ДНК характерна вторичная структура молекулы в форме двойной спирали (чаще всего правозакрученной). При этом две цепи ДНК соединяются между собой водородными связями, образуемыми между комплементарными азотистыми основаниями.
Аденин комплементарен тимину, а гуанин – цитозину. Между аденином и тимином образуются две водородные связи, а между гуанином и цитозином - три. Таким образом, гуанин и цитозин соединены между собой немного прочнее (хотя водородные связи в принципе слабые). Количество связей определяется особенностями строения молекул.
Аденин и гуанин относятся к пуринам и состоят из двух колец. Тимин и цитозин относятся к пиримидиновым основаниям, состоящим из одного кольца. Таким образом между остовами (состоящими из чередующихся дезоксирибозы и фосфорной кислоты) двух цепей ДНК при любой паре нуклеотидов разных цепей всегда существует три кольца (поскольку двухкольцовый пурин всегда комплементарен только определенному однокольцовому пиримидину). Это позволяет сохранять ширину между цепями молекулы ДНК одинаковой на всем протяжении (примерно 2,3 нм).
В одном витке спирали находится примерно 10 нуклеотидов. Длина одного нуклеотида примерно 0,34 нм. Длина же молекул ДНК обычно огромна, превышает миллионы нуклеотидов. Поэтому, чтобы более компактно разместиться в ядре клетки, ДНК подвергается различной степени «сверхспирализации».
При считывании информации с ДНК (то есть синтезе на ней РНК, этот процесс называется транскрипцией ) происходит деспирализация (процесс обратный спирализации), две цепочки расходятся под действием специального фермента. Водородные связи слабые, поэтому разделение и в последующем сшивание цепей происходит при малой затрате энергии. РНК синтезируется на ДНК согласно все тому же принципу комплементарности. Только вместо тимина в РНК аденину комплементарен урацил.
Генетический код, записанный на молекулах ДНК, состоит из триплетов (последовательностей трех нуклеотидов), которые обозначают одну аминокислоту (мономер белка). Однако большая часть ДНК не кодирует белок. Значение таких участков молекулы различно, во многом до конца не выяснено.
Перед делением клетки всегда происходит удвоение количества ДНК. Этот процесс называется репликацией . Она носит полуконсервативный характер: цепи одной молекулы ДНК расходятся, и на каждой достраивается своя новая комплементарная цепь. В итоге из одной двухцепочной молекулы ДНК получаются две двухцепочные ДНК, идентичные первой.
В ДНК полинуклеотидные цепи разнонаправлены, т. е. там где у одной цепи 5"-конец (остаток фосфорной кислоты присоединен к пятому атому углерода дезоксирибозы), у другой - 3" (углерод, свободный от фосфорной кислоты).
При репликации и транскрипции синтез всегда идет в направлении от 5"-конца к 3", так как новые нуклеотиды могут присоединяться только к свободному 3" атому углерода.
Строение и роль ДНК как вещества, отвечающего за наследственную информацию, были выяснены в 40-50-х годах XX века. В 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик определили двухцепочечную структуру ДНК. Ранее Э. Чаргафф выяснил, что в ДНК количество тимина всегда соответствует аденину, а количество гуанина - цитозину.
1. Какие типы нуклеиновых кислот существуют? Что является мономерами нуклеиновых кислот?
Существует два типа нуклеиновых кислот: в) РНК, г) ДНК.
Мономерами нуклеиновых кислот являются: е) нуклеотиды.
2. Опишите строение нуклеотида. Каким образом могут соединяться нуклеотиды в молекуле ДНК?
Нуклеотид состоит из азотистого основания, пятиуглеродного сахара (пентозы) и остатка фосфорной кислоты. В составе нуклеотида ДНК содержится одно из четырёх азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин или тимин), пятиуглеродный сахар представлен дезоксирибозой. В нуклеотиде РНК азотистое основание представлено аденином, гуанином, цитозином или урацилом, а пятиуглеродный сахар – рибозой.
Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей. Нуклеотиды в составе каждой цепи соединены между собой ковалентными связями. Эти связи образуются между остатком фосфорной кислоты одного нуклеотида и пентозой другого нуклеотида. Парные нуклеотиды противоположных цепей ДНК соединены водородными связями, причём между аденином и тимином образуется две водородных связи, а между гуанином и цитозином – три. Такое соответствие парных нуклеотидов называется комплементарностью.
3. Установлена последовательность нуклеотидов одной из цепей ДНК: ЦТГАГТТЦА. Определите порядок нуклеотидов комплементарной цепи.
В молекуле ДНК аденин (А) комплементарен тимину (Т), а гуанин (Г) – цитозину (Ц), поэтому порядок нуклеотидов комплементарной цепи ДНК будет следующим: ГАЦТЦААГТ.
4. Охарактеризуйте пространственную структуру молекулы ДНК.
Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных вокруг общей оси, и представляет собой двойную спираль диаметром около 2 нм (наподобие винтовой лестницы). Каждый виток спирали включает 10 пар нуклеотидов и имеет длину 3,4 нм. Противоположные цепи ДНК комплементарно дополняют друг друга, поскольку нуклеотиды этих цепей образуют пары (А и Т, Г и Ц). Между парными нуклеотидами возникают водородные связи, стабилизирующие двойную спираль ДНК.
5. Какие типы РНК содержатся в клетке? Сравните их по выполняемым функциям, особенностям строения и процентному содержанию от общего количества РНК в клетке.
В клетке содержится три типа РНК: рибосомные (рРНК), транспортные (тРНК) и информационные, или матричные (иРНК, мРНК). Функции всех типов РНК связаны с процессами синтеза белка.
Молекулы рРНК выполняют структурную функцию. В комплексе с особыми белками они приобретают определённую пространственную конфигурацию и образуют рибосомы (а точнее, субъединицы рибосом), на которых происходит синтез белков из аминокислот.
Транспортные РНК осуществляют перенос аминокислот к рибосомам и участвуют в процессе синтеза белка. Молекулы тРНК сравнительно небольшие (в среднем состоят из 80 нуклеотидов), благодаря внутримолекулярным водородным связям они имеют специфическую пространственную структуру, напоминающую лист клевера.
Информационные или матричные РНК (иРНК, мРНК) наиболее разнородны по размерам и структуре. Они содержат информацию о структуре определённых белков и служат матрицами в ходе синтеза этих белков на рибосомах.
Рибосомные РНК составляют около 80% всех РНК клетки, транспортные – около 15%, информационные – 3-5%.
6. Сравните по различным признакам ДНК и РНК. Выявите черты их сходства и различия.
Сходство:
● Являются органическими веществами, биополимерами, относятся к нуклеиновым кислотам.
● Построены из нуклеотидов, в состав каждого из них входит азотистое основание, пентоза и остаток фосфорной кислоты. Азотистые основания аденин (А), гуанин (Г) и цитозин (Ц) входят как в состав нуклеотидов ДНК, так и в состав нуклеотидов РНК.
● Молекулы образованы атомами углерода (С), водорода (Н), кислорода (О), азота (N) и фосфора (Р).
Различия:
● В состав нуклеотидов ДНК входит остаток пятиуглеродного сахара дезоксирибозы, а нуклеотиды РНК содержат остаток рибозы. Азотистое основание тимин (Т) может входить только в состав нуклеотидов ДНК, а урацил (У) встречается только в составе нуклеотидов РНК.
● Молекула ДНК двухцепочечная (за редким исключением), имеет вид двойной спирали. Молекулы РНК обычно одноцепочечные, могут иметь различную пространственную конфигурацию. Полинуклеотидные цепи РНК значительно короче цепей ДНК.
● В клетках эукариот основная часть ДНК содержится в ядре (собственные небольшие молекулы ДНК имеют только митохондрии и хлоропласты). Молекулы РНК находятся не только в ядре, но и в цитоплазме клеток – в составе некоторых органоидов (рибосом, митохондрий, хлоропластов), в гиалоплазме.
● В клетке ДНК обеспечивает хранение наследственной информации (т.е. информации о структуре белков) и её передачу дочерним клеткам в процессе деления. Молекулы РНК обеспечивают реализацию наследственной информации, участвуя в процессе биосинтеза белков на рибосомах.
И (или) другие существенные признаки.
7. Фрагмент молекулы ДНК содержит 126 адениловых нуклеотидов (А), что составляет 18% от общего количества нуклеотидов в этом фрагменте. Какова длина данного фрагмента ДНК и сколько цитидиловых нуклеотидов (Ц) он содержит?
126 нуклеотидов составляют 18% от всех нуклеотидов данного фрагмента ДНК. Значит, общее количество нуклеотидов равно: 126: 18% × 100% = 700 нуклеотидов (или 350 пар нуклеотидов).
Один виток двойной спирали ДНК содержит 10 пар нуклеотидов и имеет длину 3,4 нм. Следовательно, одна пара нуклеотидов занимает участок ДНК длиной 0,34 нм. Фрагмент ДНК, содержащий 350 пар нуклеотидов, имеет длину: 350 × 0,34 нм = 119 нм.
В двухцепочечной молекуле ДНК А = Т, Г = Ц. Значит, А = Т = 126 нуклеотидов.
Сумма Г + Ц составляет: 700 – 126 – 126 = 448 нуклеотидов. Г = Ц = 448: 2 = 224 нуклеотида.
Ответ: фрагмент ДНК имеет длину 119 нм и содержит 224 цитидиловых (Ц) нуклеотида.
8. У исследователя имеется три молекулы ДНК одинаковой длины. Известно, что содержание тимидиловых нуклеотидов (Т) в первом образце составляет 20% от общего числа нуклеотидов, во втором - 36%, в третьем - 8%. Он начал нагревать данные образцы ДНК, постепенно повышая температуру. При этом происходило отделение комплементарных цепей друг от друга - так называемое плавление ДНК. Какой образец начал плавиться первым, а какой расплавился в последнюю очередь? Почему?
Плавление ДНК происходит вследствие разрыва водородных связей между комплементарными нуклеотидами. Между аденином и тимином образуются две водородные связи, а между гуанином и цитозином – три. Чем выше содержание пар Г–Ц во фрагменте ДНК, тем больше водородных связей в его составе, и тем больше энергии понадобится для их разрушения. И наоборот, чем больше пар А–Т содержит фрагмент ДНК, тем меньше энергии будет необходимо для плавления.
Поэтому сначала расплавится второй образец (в нём больше всего тимина, а значит, и пар А–Т), затем первый, а в последнюю очередь – третий (с наименьшим содержанием тимина).
Нуклеиновые кислоты.
Нуклеиновые кислоты - это природные высокомолекулярные соединения (полинуклеотиды), которые играют огромную роль в хранении и передаче наследственной информации в живых организиах.
Существует два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Эти биополимеры состоят из мономеров, называемых нуклеотидами.
Основное местоположение ДНК - ядро клетки. ДНК обнаружена также в некоторых органоидах (пластиды, митохондрии, центриоли). РНК встречаются в ядрышках, в рибосомах и цитоплазме клеток.
Молекула ДНК представляет собой структуру, состоящую из двух нитей, которые по всей длине соединены друг с другом водородными связями. Такую структуру называют двойной спиралью. Водородные связи возникают между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи. Эти основания составляют комплементарные пары (от лат. complementum - дополнение).
Характеристика ДНК.
1. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота)- линейный полимер, имеющий вид двойной спирали, образованной парой антипараллельных комплементарных цепей. Мономерами ДНК являются нуклеотиды.
2. Нуклеотиды ДНК состоят из пуриновых (А - аденин или Г - гуанин) или пиримидиновых (Т - тимин или Ц - цитозин) азотистых оснований, пятиуглеродного сахара- дезоксирибозы - и фосфатной группы.
3. Молекула ДНК имеет следующие параметры: ширина спирали около 2 нм, шаг, или полный оборот, спирали - 3,4 нм. В одном шаге содержится 10 комплементарных нуклеотидов.
4. Нуклеотиды в молекуле ДНК обращены друг к другу азотистыми основаниями и объединены парами в соответствии с правилами комплементарности: напротив аденина расположен тимин, напротив гуанина - цитозин. Пара АЛ1 соединена двумя водородными связями, а пара Г-Ц - тремя.
5. Остов цепей ДНК образован сахарофосфатными остатками.
6. Репликация ДНК- это процесс самоудвоения молекулы ДНК, осуществляемый под контролем ферментов.
На каждой из цепей, образовавшихся после разрыва водородных связей, при участии ДНК-полимеразы синтезируется дочерняя цепь ДНК. Материалом для синтеза служат свободные нуклеозид-фосфаты, имеющиеся в цитоплазме клеток.
7. Синтез дочерних молекул на соседних цепях идет с разной скоростью. На одной цепи новая молекула собирается непрерывно, на другой - с некоторым отставанием и фрагментарно. После завершения процесса фрагменты новых молекул ДНК сшиваются ферментом ДНК-лигазой. Так из одной молекулы ДНК возникают две, являющиеся точной копией друг друга и материнской молекулы. Такой способ репликации называется полуконсервативным.
8. Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской молекулы к дочерним, что и происходит при делении соматических клеток.
Характеристика РНК.
РНК- линейный полимер, состоящий из одной цепи нуклеотидов. В составе РНК тиминовый нуклеотид замещен на урациловый (У). Нуклеотиды РНК содержат пятиуглеродный сахар рибозу, одно из четырех азотистых оснований и остаток фосфорной кислоты.
Виды РНК:
Матричная, или информационная, РНК- синтезируется в ядре при участии фермента РНК- полимеразы. Комплементарна участку ДНК, на котором происходит синтез. Составляет 5% РНК клетки;
Рибосомная РНК- синтезируется в ядрышке и входит в состав рибосом. Составляет 85% РНК клетки;
Транспортная РНК (более 40 видов)- транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка. Имеет структуру клеверного листа и состоит из 70-90 нуклеотидов.