Нуклеиновые клетки. Строение и функции нуклеиновых кислот. Общая характеристика нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты – природные высокомолекулярные биополимеры, обеспечивающие хранение и передачу наследственной (генетической) информации в живых организмах.

Макромолекула нуклеиновых кислот, с молекулярной массой от 10000 Дальтон до нескольких миллионов, открыты в 1869 г. швейцарским химиком Ф. Мишером в ядрах лейкоцитов, входящих в состав гноя, отсюда и название (нуклеус – ядро).

Нуклеиновые кислоты представляют собой полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды . Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара пентозы и остатка фосфорной кислоты. Из нуклеотидов строятся длинные молекулы – полинуклеотиды .

Азотистое

основание

Связь между

фосфатом и сахаром

Рис. Строение нуклеотида.

Сахар , входящий в состав нуклеотида, содержит пять углеродных атомов, т. е. представляет собой пентозу . В зависимости от вида пентозы, присутствующей в нуклеотиде, различают два типа нуклеиновых кислот – рибонуклеиновые (РНК), которые содержат рибозу , и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие дезоксирибозу (С 5 Н 10 О 4).

Основания , в обоих видах нуклеиновых кислот, содержатся четырех разных видов: два из них относятся к классу пуринов и два – к классу пиримидинов . К числу пуринов относятся аденин (А) и гуанин (Г), а к числу пиримидинов – цитизин (Ц) и тимин (Т) или урацил (У) (соответственно в ДНК или РНК).

Нуклеиновые кислоты являются кислотами потому, что в их молекуле содержится фосфорная кислота.

Роль нуклеотидов в организме не ограничивается тем, что они служат строительными блоками нуклеиновых кислот; некоторые важные коферменты также представляют совой нукоеотиды. Таковы, например, аденозинтрифосфат (АТФ), никотинамидадениндинуклеотид (НАД), никотинамидадениндинуклеотид-фосфат (НАДФ) и флавинадениндинуклеотид (ФАД).

Нуклеиновые кислоты

ДНКРНК

ядерная цитоплазматические иРНК тРНК рРНК

В настоящее время известно большое число разновидностей ДНК и РНК, отличных друг от друга по строению и значению в метаболизме.

Пример: в бактериях клеток кишечной палочки содержится около 1000 различных нуклеиновых кислот, а у животных и растений еще больше.

Каждый вид организмов содержит свой, характерный только для него, набор этих кислот. ДНК локализуется преимущественно в хромосомах клеточного ядра (99% всей ДНК клетки), а также в митохондриях и хлоропластах. РНК входит в состав ядрышек, рибосом митохондрий, пластид и цитоплазмы.

Молекула ДНК является универсальным носителем генетической информации в клетках. Именно благодаря строению и функциям этой молекулы признаки передаются по наследству – от родителей потомкам, т.е. осуществляется всеобщее свойство живого – наследственность. Молекулы ДНК – самые крупные биополимеры.

Строение ДНК.

Структура молекул ДНК была расшифрована в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком. За это открытие они получили Нобелевскую премию.

Согласно модели ДНК по Уотсону – Крику , молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепочек, закрученных вправо вокруг одной и той же оси , образуя двойную спираль . Цепи распложены антипараллельно, т.е. навстречу друг другу. Объединяются две полинуклеотидные цепи в единую молекулу ДНК при помощи водородных связей, возникающих между азотистым основанием нуклеотидов разных цепей. В полинуклеотидной цепочке соседние нуклеотиды связаны между собой ковалентными связями, которые образуются между дезоксирибозой, в молекуле ДНК (и рибозой в РНК), одного и остатком фосфорной кислоты другого нуклеотида.

Цепи двойной спирали комплементарны друг другу, т. к. спаривание оснований происходит в строгом соответствии: аденин соединяется с тимином, а гуанин – с цитозином.

В результате у всякого организма Рис. Спаривание нуклеотидов.

число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых , а число гуаниловых – числу цитидиловых. Эта закономерность получила название «правило Чаргаффа».

Строгое соответствие нуклеотидов, расположенных в парных антипараллельных нитях ДНК, называются комплементарностью. Это свойство лежит в основе образования новых молекул ДНК на базе исходной молекулы.

Таким образом, двойная спираль стабилизирована многочисленными водородными свойствами (между А и Т образуется две, а между Г и Ц – три) и гидрофобными взаимодействиями.

Вдоль оси молекулы соседние пары оснований располагаются на расстоянии 0,34 нм одна от другой. Полный оборот спирали приходится на 3,4 нм, т. е. на 10 пар оснований (один виток). Диаметр спирали – 2 нм. Расстояние между углеводными компонентами двух спаренных нуклеотидов 1,1 нм. Длина молекулы нуклеиновых кислот достигает сотен тысяч нанометров. Это значительно больше самой крупной макромолекулы белка, которая в развернутом виде достигает в длину не более 100-200 нм. Масса молекулы ДНК составляет 6*10 -12 г.

Процесс удвоения молекулы ДНК называется репликацией . Репликация происходит следующим образом. Под действием специальных ферментов (геликаза) разрываются водородные связи между нуклеотидами двух цепочек. Спираль раскручивается. К освободившимся связям, по принципу комплементарности, присоединяются соответствующие нуклеотиды ДНК, в присутствии фермента ДНК-полимеразы. Это наращивание может происходить только в направлении 5"→ 3". Это означает непрерывного возможность копирования только одной цепи ДНК (на рисунке верхняя). Этот процесс называется непрерывнаярепликация . Копирование другой цепи должно всякий раз начинаться вновь, в результате в цепи возникают разрывы. Для их ликвидации необходим фермент – ДНК-лигаза. Такую репликацию называют прерывистой .

Данный способ репликации ДНК, предложенный Уотсоном и Криком известен под названием полуконсервативная репликация .

Следовательно, порядок нуклеотидов в «старой» цепочке ДНК определяет порядок нуклеотидов в «новой», т.е. «старая» цепочка ДНК как бы является матрицей для синтеза «новой». Такие реакции называются реакции матричного синтеза ; они характерны только для живого.

Репликация (редупликация) позволяет сохранить постоянство структуры ДНК. Синтезированная молекула ДНК абсолютно идентична исходной по последовательности нуклеотидов. Если под воздействием различных факторов в процессе репликации в молекуле ДНК происходят изменения в числе и порядке следования нуклеотидов, то возникают мутации. Способность молекул ДНК исправлять возникающие изменения и восстанавливать исходную называется репарацией .

Функции ДНК:

1) Хранение наследственной информации.

ДНК хранит информацию в виде последовательности нуклеотидов.

2) Воспроизведение и передача генетической информации.

Возможность передачи информации дочерним клеткам обеспечивается способностью хромосом к разделению на хроматиды с последующей редупликацией молекул ДНК. В ней закодирована генетическая информация о последовательности аминокислот в молекуле белка. Участок ДНК, несущий информацию об одной полипептидной цепи, называется геном.

3) Структурная.

ДНК присутствует в хромосомах в качестве структурного компонента, т.е. является химической основой хромосомного генетического материала (гена).

4) ДНК является матрицей для создания молекул РНК.

РНК содержиться во всех живых клетках в виде одноцепочечных молекул. Она отличается от ДНК тем, что содержит в качестве пентозы рибозу (вместо дезоксирибозы), а в качестве одного из пиримидиновых оснований – урацил (вместо тимина). Существует три типа РНК. Это матричная, или информационная, РНК (мРНК, иРНК), транспортная РНК (тРНК) и рибосомная РНК (рРНК). Все три синтезируются непосредственно на ДНК, а количество РНК в каждой клетке зависит от количества вырабатываемого этой клеткой белка.

В цепочке РНК нуклеотиды соединяются путем образования ковалентных связей (фосфодиэфирные связи) между рибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого.

В отличие от ДНК, молекулы РНК, представляют собой одноцепочечный линейный биополимер, состоящий из нуклеотидов.

Двухцепочечные РНК служат для хранения и воспроизведения наследственной информации у некоторых вирусов, т.е. выполняют у них функции хромосом – вирусная РНК.

Нуклеотиды одной молекулы РНК могут вступать в комплементарные взаимоотношения с другими нуклеотидами этой же цепочки, в результате образования вторичной и третичной структуры молекул РНК.

Рис. Строение транспортной РНК.

Рибисомальная РНК (рРНК) составляет 85% всей РНК клетки, она синтезируется в ядрышке, в соединение с белком входит в состав рибосом, митохондрий (митохондриальная РНК) и пластид (пластидная РНК). Содержит от 3 до 5 тыс. нуклеотидов. На рибосомах идет синтез белка.

Функции : рРНК выполняет структурную функцию (входит в состав рибосом) и участвует в формировании активного центра рибосом, где происходит образование пептидных связей между молекулами аминокислот в процессе биосинтеза белка.

Информационная РНК (иРНК) составляет 5% всей РНК в клетках. Она синтезируется в процессе транскрипции на определенном участке молекулы ДНК – гене. По строению иРНК комплементарна участку молекул ДНК, несущему информацию о синтезе определенного белка. Длина иРНК зависит от длины участка ДНК, с которого считывалась информация (может состоять из 300-30000 нуклеотидов)

Функции : иРНК переносит информацию о синтезе белка из ядра в цитоплазму на рибосомы и становится матрицей для синтеза молекул белка.

Транспортная РНК (тРНК) составляет около 10% всей РНК, синтезируется в ядрышке, имеет короткую цепь нуклеотидов и находится в цитоплазме. Она имеет функцию трилистника. У каждой аминокислоты имеется собственная семья молекул тРНК. Они доставляют содержащиеся в цитоплазме аминокислоты к рибосоме.

Функции : на одном конце находится триплет нуклеотидов (антикодон), кодирующий определенную аминокислоту. На другом конце триплет нуклеотидов, к которому присоединяется аминокислота. Для каждой аминокислоты – своя тРНК.

В конце ХIХ века в Швейцарии произошло событие, которое определило ход науки на многие десятилетия вперед: в ходе своих исследований ученый Ф. Мишер обнаружил в лимфоцитов неизвестные раньше молекулы.

Выделенные молекулы впоследствии были найдены во всех биологических видах и получили название, под которыми они известны сегодня: «нуклеиновые кислоты» . Функции нуклеиновых кислот в клетке заключаются в хранении и передаче наследственной информации.

Нуклеиновые кислоты классифицируются по присутствию в их составе одной из разновидностей пятиуглеродного сахара (пентозы) . Дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, содержит дезоксирибозу, а рибонуклеиновая кислота (РНК) – рибозу.

Кратко их взаимодействие можно выразить так: из ДНК синтезируется РНК, а из РНК – белок . В структуре нуклеиновых кислот есть много общего.

Разберем подробнее, в какой части клетки находятся нуклеиновые кислоты, какие они выполняют функции, в чем заключаются особенности их строения и какие существуют виды нуклеиновых кислот.

ДНК

Молекулу ДНК можно сравнить с лестницей, которая закручена в спираль по направлению вправо. Ступеньки или «перемычки» на ней образованы парами азотистых оснований :

• аденином (А);
• гуанином (G);
• тимином (Т);
• цитозином (С).

Каждое из оснований формирует пару с другим, используя принцип комплементарности, где аденин соединяется исключительно с тимином (АТ), а гуанин с цитозином (GC). Поэтому хаотичность связей между ними только кажущаяся – строение нуклеиновых кислот подчиняется строгим и неизменным законам .

В зависимости от комбинаций нуклеотидов ДНК и находящихся в них азотистых оснований проявляются наши индивидуальные особенности (цвет кожи, глаз, волос, рост и т.д.). Молекулы ДНК располагаются в ядрах клеток, а также, в хлоропластах и (менее 1%).

Структура молекулы ДНК

Молекула ДНК – это биополимер, в составе которого основным мономером или структурной единицей является нуклеотид. Входят в состав нуклеотидов следующие компоненты: остаток фосфорной кислоты соединяется с пятиуглеродным сахаром – дезоксирибозой и встраивается в азотистое основание. Между собой мономеры объединяются в длинные цепи, образуя в конечном итоге двойные спирали .

Соединение спиралей друг с другом происходит посредством водородных связей. Аденин соединяется с тимином двумя, а цитозин с гуанином – тремя водородными связями. Азотистое основание, сахар и фосфатная группа входят в состав нуклеотидов обязательно.

Ширина молекулы колеблется от 2.2 до 2.4 нм, а длина каждого мономера в цепочке равна 0.33 нм .

Каждая цепочка дезоксирибонуклеиновой кислоты имеет определенную направленность. Две цепи, расположенные в противоположном направлении, называются антипараллельными.

Благодаря принципу комплементарности вся информация, находящаяся в одной цепи, дублируется и в другой. Соединение аденина и гуанина – это пуриновые основания, а тимина с цитозином – пиримидиновые. При этом необходимо знать, что в молекуле ДНК число пуриновых оснований всегда равно числу пиримидиновых .

Связь ДНК в передаче генов

Мы часто слышим обвинения в адрес генов, когда речь заходит о дурных склонностях и привычках человека. Попробуем разобраться, что такое гены и какую роль играет ДНК в передаче наследственных данных , переносит ли она негативную информацию. Каковы же функции нуклеиновых кислот в клетке?

Ген – это особый участок молекулы ДНК, образующийся из уникальных сочетаний нуклеотидов. Каждый тип гена находится в специально отведенном для этого участке спирали ДНК , никуда не мигрируя. Число нуклеотидов в генах постоянно. Например, ген, отвечающий за синтез инсулина, в своем составе имеет 60 пар нуклеотидов.

Также в цепочке ДНК находятся т.н. «некодирующие последовательности». Роль их в передаче генетического материала не до конца установлена. Предполагается, что эти последовательности отвечают за порядок в работе генов и «закручивают» хромосомы.

Весь объем генов в организме носит название . Он в свою очередь равномерно распределяется в 46 парах молекул ДНК. Каждая такая пара называется хромосома. Следовательно, организм человека состоит из 46 пар хромосом , в которые вложена вся генетическая информация, начиная от внешности, заканчивая предрасположенностью к различным заболеваниям.

Хромосомы различаются по своей морфологии и размеру. Основных форм две – Х и У. Человеческий организм содержит парные хромосомы, т.е. каждая имеет свою точную копию. Таким образом, в норме мы имеем 23 парные хромосомы . Каждая хромосомная пара выполняет свою функцию, отвечая за конкретные признаки. 22 пары хромосом отвечают за соматические признаки и лишь одна за половые. Сочетание хромосом ХХ означает, что на свет появится девочка, а сочетание ХУ – мальчик.

Мутации ДНК

Повреждение молекул ДНК может быть обусловлено множеством факторов, среди которых чаще всего мутагенное действие оказывают следующие:

• Радиационный. Это рентгеновское или ультрафиолетовое излучение в высоких дозах.
• Оксидантный. К этим видам мутагенов относят все свободные радикалы, оксид азота и пероксид водорода.
• Канцерогенный. Фактор представлен обширным списком веществ, где наиболее распространенными являются бензопирен, афлатоксин и бромистый этидий.

Подавляющее число мутагенов проникают между двумя парами азотистых соединений, нарушая структуру молекулы нуклеиновой кислоты. Самые опасные включения мутагенных компонентов – двухцепочечные. Такие нарушения зачастую приводят к гибели целых фрагментов хромосом и различным транслокациям.

Важно! ДНК человека ежедневно подвергается атаке множества агрессивных факторов, которые вызывают повреждения структуры и разрыв самой спирали. Однако эта молекула отличается способностью к регенерации, что позволяет предупреждать мутации еще на этапе их формирования.

РНК

Принцип строения РНК принципиально тот же, что и структура ДНК, но с тем отличием, что рибонуклеиновая кислота сформирована в виде одинарной спирали, в ее составе тимин заменен урацилом, а место дезоксирибозы занимает рибоза .

Благодаря строго последовательному расположению нуклеотидов молекулы РНК способны кодировать наследственную информацию.

Однако, в отличие от ДНК, функции рибонуклеиновых кислот другие, более щирокие, в связи с тем, что есть три под вида молекул.

Виды РНК

Имеется 3 разновидности рибонуклеиновой кислоты:

1. Транспортная (тРНК) . Входящие в состав цитоплазмы тРНК являются самыми маленькими молекулами рибонуклеиновой кислоты. Их форма схожа с формой листка клевера. тРНК несет ответственность за транспортировку специфических аминокислот непосредственно к участку, где происходит синтез белка, чтобы инициировать образование пептидных связей.
2. Информационная или матричная (иРНК, иРНК) . Входит в состав ядра клетки и цитоплазмы. Она транспортирует информацию о строении белка от ДНК к рибосомам, которые являются местом его биосинтеза.
3. Рибосомальная (рРНК) . Образуется в ядрышках и, как следует из названия, является главной составляющей рибосом. Самая крупная разновидность РНК. Соединяясь с информационной РНК, синтезирует белок

Существует также особый вид. Он обнаружен в некоторых вирусах, бактериях и микроорганизмах. Действует одновременно как тРНК и мРНК. Основная его функция – переработка белка.

Структура молекулы РНК

Структурная формула РНК характеризуется наличием гидроксильной группы в положении рибозы. Многие виды рибонуклеиновой кислоты, например, рРНК и иРНК, функционируют в комплексе с белками. Такие соединения называются рибонуклеотидами.

Строение нуклеотида РНК сходно со строением мономера ДНК. Азотистые основания также соединяются друг с другом по принципу комплементарности. Однако, вместо тимина здесь присутствует урацил, а пятиуглеродный сахар представлен рибозой.

Нуклеотиды в цепочке РНК соединяются с помощью фосфодиэфирных связей .

Синтез белка

Какие вещества могут хранить информацию о клетке, ее функциях, биологических и химических свойствах? Конечн, белки. Они являются уникальными компонентами любого живого организма. Биохимический синтез белка – это довольно сложный микропроцесс. Проходит он в три основных этапа:

1. Транскрипция . Этот процесс протекает в ядре, и ответственность за него несет информационная РНК. Транскрипция заключается в считывании данных о будущем белке с генов, находящихся в ДНК, и переносе этих данных на информационную РНК. Далее иРНК транспортирует информацию в цитоплазму. Дезоксирибонуклеиновая кислота не имеет прямого отношения к биосинтезу белка, а только хранит и передает информацию. Во время транскрипции цепочки ДНК «расплетаются», а генетический материал считывается на РНК, с учетом парных комплексов азотистых оснований.
2. Трансляция. Это окончательная стадия образования белковой молекулы. Информационная РНК через цитоплазму попадает в рибосомы, где и происходит сам биохимический синтез.
3. ​Различные модификации полипептидной цепи . Происходят в результате совершившейся трансляции.

ДНК и РНК

Различия между ДНК и РНК

Для нуклеиновых кислот характерны не только схожие, но и отличительные черты. Общими можно назвать следующие признаки:

• Содержат по две пары оснований.
• Несут ответственность за передачу информации.
• «Построены» из нуклеотидных связей, которые сформированы в соответствии с принципом комплементарности.
• В составе биологической клетки обе кислоты играют взаимодополняющую роль.

Но, рассматривая обе эти кислоты , можно обнаружить существенные различия.

Любопытные факты

• Единственный тип клеток, не содержащий ДНК, – это красные кровяные тельца.
• Структура нуклеиновых кислот настолько похожа, что западные ученые выдвинули теорию: на ранних этапах эволюционной истории человечества ответственность за хранение информации, передаваемой по наследству, несла РНК.
• Структурная формула молекулы ДНК была вычислена Д. Утсоном и Ф. Криком еще в 1953 году. И лишь спустя 9 лет эти ученые удостоились Нобелевской премии по медицине.
• За различия между людьми отвечает менее 1% всех молекул ДНК , входящих в геном человека. Поэтому выражение «все мы из одного теста» имеет под собой научное обоснование.
• Схожесть между ДНК человека и шимпанзе достигает 98%, а ДНК человека и свиньи совпадают на 96%.
• Полная расшифровка генома человека была завершена в 2003 году .
• Чтобы набрать на клавиатуре полный буквенный код генома человека, у вас уйдет 17 лет, с учетом того, что стучать по клавишам придется целыми сутками.
• Геном человека составляет 100% генов , из которых 50% достаются от матери и 50% от отца.

Строение и функции нуклеиновых кислот, урок биологии

Чем отличаются ДНК и РНК

Вывод

На протяжении без малого двух столетий ученые пытаются разгадать все тайны крошечных спиралек, полностью расшифровать строение нуклеиновых кислот. Но и на сегодняшний день сделаны не все открытия, способные пролить свет на этих хранителей генетической информации. Возможно, в скором времени мы узнаем, какую еще не известную нам функцию выполняет ДНК .

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.

Таблица 5.

Номенклатура нуклеотидов, образующих ДНК и РНК

К нуклеозидмонофосфатам (НМФ) и дезоксинуклеозидмонофосфатам (дНМФ) могут присоединиться еще 1 или 2 остатка фосфорной кислоты. При этом образуются нуклеозиддифосфаты (НДФ), дезоксинуклеозиддифосфаты (дНДФ) или нуклеозидтрифосфаты (НТФ) и дезоксинуклеозидтрифосфаты (дНТФ).

НТФ и дНТФ служат субстратами для синтеза РНК и ДНК соответственно.

Нуклеиновые кислоты выполняют в организме человека следующие функции: ДНК - хранение наследственной информации, РНК - реализацию генетической информации и каталитическую функцию.

Строение нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты представляют линейные полимеры нуклео- зидмонофосфатов, то есть полинуклеотиды. Нуклеотиды построены из трех компонентов: пиримидинового или пуринового основания, углевода (пентозы) и фосфорной кислоты. Нуклеотиды связаны между собой в цепь фосфодиэфирной связью. Она образуется за счет этерификации ОН-группы С-З-пентозы одного нуклеотида и ОН-группы фосфатного остатка другого нуклеотида.

Молекула нуклеиновой кислоты имеет два уровня структурной организации.

Первичная структура нуклеиновых кислот определяется как последовательность нуклеотидных остатков в полимерной цепи. Многообразие молекул ДНК и РНК объясняется их первичной структурой.

Вторичная структура у молекул ДНК и РНК разная. Молекула ДНК представляет собой правозакрученную спираль, состоящую из двух полинуклеотидных цепей с антипараллельным ходом. Это означает, что 3-концу одной цепи соответствует 5-конец другой цепи, и наоборот. Остатки оснований направлены внутрь спирали. На один виток спирали приходится 10 пар оснований. Цепи ДНК не идентичны, так как нуклеотидный состав их различен, однако первичная структура одной цепи предопределяет нуклеотидную последовательность другой цепи, то есть они комплементарны друг другу. Это связано с существованием комплементарных пар оснований. Физико-химическую основу комплементарности составляют водородные связи, которые могут образоваться только между аденином одной цепи и тимином другой, противоположно направленной цепи (пара А-Т), и аналогично между гуанином и цитозином (пара Г-Ц).

Молекула РНК состоит из одной полинуклеотидной цепи. Отдельные участки этой цепи (до 20-30 нуклеотидных пар) могут быть комплементарны между собой и образуют спиральную структуру за счет связей между аденином и урацилом (пара А-У) и гуанином и цитозином (пара Г-Ц). Между спирализованными участками располагаются одноцепочечные петли. Существует несколько разновидностей РНК: матричная (мРНК), транспортная (тРНК), рибосомная (рРНК).

Классификация нуклеиновых кислот

В одну молекулу нуклеиновых кислот может входить углевод только одного вида - рибоза или дезоксирибоза. На этом основании все нуклеиновые кислоты делятся на два типа: рибонуклеиновые - РНК (содержат рибозу) - и дезоксирибонуклеиновые - ДНК (содержат дезоксирибозу).

Физико-химические свойства нуклеиновых кислот

1. Денатурация.

Вторичная структура ОЫА стабилизируется лишь слабыми водородными и гидрофобными связями, следовательно, ОЫА способна к денатурации (плавлению) при повышении температуры до 80-90 °С. При денатурации двухспиральная молекула ДНК разделяется на отдельные цепи. Температура, при которой 50 % ДНК денатурировано, называется температурой плавления и зависит от качественного состава ДНК.

2. Ренатурация.

Если раствор денатурированной ДНК медленно охлаждать (отжиг), то вновь возникают слабые связи между комплементарными цепями, и может получиться спиральная структура, идентичная исходной (нативной).

3. Растворимость в воде.

В воде ДНК образует вязкие растворы, при нагревании таких растворов до 60 °С или при действии щелочей двойная спираль распадается на две составляющие цепи.

4. Молекулярная масса.

Молекулярная масса нуклеиновых кислот сильно варьирует, но в целом очень большая, особенно у ДНК. В ядре клетки человеческого организма содержится 46 молекул ДНК, в составе каждой из них - 3,5 млрд пар мононуклеотидов. В митохондриях есть циклическая ДНК, ее молекула содержит 16 тыс. пар мононуклеотидов. Сначала была расшифрована структура митохондриальной ДНК. В ней закодирована информация о строении 13-ти полипептидных цепей, 2-х рибосомальных РНК и 22-х транспортных РНК.

По общему строению все нуклеиновые кислоты являются молекулами-полимерами, т. е. биополимерами, их мономерами являются нуклеотиды . Строение конкретного типа нуклеиновой кислоты имеет свои особенности как на уровне нуклеотидов, так и на уровне вторичной и третичной структуры молекул.

Существует два основных типа нуклеиновых кислот - ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота).

Общее строение каждого нуклеотида-мономера, входящего в состав молекулы любой нуклеиновой кислоты, таково:

• азотистое основание ,
• пентоза ,
• остаток фосфорной кислоты .

То есть каждый нуклеотид состоит из трех компонентов.

Строение и связи одного нуклеотида, входящего в состав нуклеиновой кислоты.
Числами обозначены номера атомов углерода в пентозе.

Пентоза - это углевод, включающий пять атомов углерода. В состав нуклеиновых кислот входят кольцевые (а не линейные) формы рибозы и дезоксирибозы . Первая входит в состав РНК, вторая - в ДНК. Дезоксирибоза отличается от рибозы тем, что лишена одной гидроксильной (-OH) группы. Пятичленное кольцо формируют четыре атома углерода и один атом кислорода. Один из атомов углерода (пятый) остается вне кольца и образует связь с остатком фосфорной кислоты.

Азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот, делятся на две группы - пуриновые и пиримидиновые. Пуриновые основания состоят из двух колец, одно из которых имеет 5 атомов, а другое - 6, при этом кольца соединены так, что у них два атома общие. Пиримидиновые основания включают одно шестичленное кольцо. К пуринам относятся гуанин (Г) и аденин (А). К пиримидинам относятся тимин (Т), цитозин (Ц) и урацил (У).

В ДНК входят Г, А, Т, Ц. В РНК - Г, А, У, Ц. То есть в РНК тимин заменен на урацил.

Между собой нуклеотиды соединены через остатки фосфорной кислоты, чем и определяют строение полимера - нуклеиновой кислоты. Остаток фосфорной кислоты через один атом кислорода соединен с 5-м атомом углерода пентозы одного нуклеотида, а через другой атом кислорода – с 3-м атомом углерода пентозы другого нуклеотида. Таким образом между нуклеотидами образуется фосфодиэфирная связь. В итоге получается одна полинуклеотидная цепочка.

Сборка нуклеиновой кислоты из нуклеотидов катализирует фермент полимераза . Он присоединяет фосфатную группу очередного нуклеотида к гидроксильной группе, находящейся при 3-м атоме углерода пентозы нуклеотида, который уже является частью нуклеиновой кислоты. Таким образом, синтез полинуклеотидной цепи всегда осуществляется с 3"-конца.

5"-конец первого нуклеотида цепи всегда несет фосфатную группу с одной эфирной связью. Этот конец считается началом цепи.

По строению рибонуклеиновые кислоты - одноцепочечные молекулы. Молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты имеют в своем строении две полимерные цепочки, закрученные относительно друг друга в спираль. Этим определяется вторичная структура ДНК. Цепочки соединены между собой водородными связями, образующимися между азотистыми основаниями.

Азотистые основания в молекуле ДНК соединены между собой по принципу комплиментарности: аденин с тимином (образуют две водородные связи), а гуанином с цитозином (три связи).

Многие молекулы ДНК - самые длинные из существующих полимеров.

Существует несколько типов РНК . Наиболее известные - информационная (она же матричная), транспортная и рибосомальная. Транспортная РНК имеет вторичную структуру, по форме напоминающую клеверный лист. Ее третичная структура похожа на букву Г.

Третичную структуру ДНК определяют различные уровни ее компактизации.