Функции днк. Какова биологическая роль ДНК? Строение и функции Днк в клетке обеспечивает

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.

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.

Вконтакте

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 .

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.

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

— 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 ).

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

— 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»

Хорошо известно, что все формы живой материи, начиная от вирусов и заканчивая высокоорганизованными животными (в том числе человеком), обладают уникальным наследственным аппаратом. Он представлен молекулами двух видов и рибонуклеиновой. В этих органических веществах закодирована информация, которая передается от родительских особей к потомству при размножении. В данной работе мы изучим как строение, так и функции ДНК и РНК в клетке, а также рассмотрим механизмы, лежащие в основе процессов передачи наследственных

Как оказалось, свойства нуклеиновых кислот, хотя и имеют некоторые общие признаки, тем не менее во многом различаются между собой. Поэтому мы сравним функции ДНК и РНК, осуществляемые этими биополимерами в клетках различных групп организмов. Таблица, представленная в работе, поможет разобраться, в чем состоит их принципиальное отличие.

Нуклеиновые кислоты - сложные биополимеры

Открытия в области молекулярной биологии, происшедшие в начале ХХ столетия, в частности, расшифровка строения дезоксирибонуклеиновой кислоты, послужили толчком для развития современной цитологии, генетики, биотехнологии и генной инженерии. С точки зрения органической химии ДНК и РНК представляют собой высокомолекулярные вещества, состоящие из многократно повторяющихся звеньев - мономеров, называемых также нуклеотидами. Известно, что они соединяются между собой, образуя цепи, способные к пространственной самоорганизации.

Такие макромолекулы ДНК часто связываются со специальными белками, имеющими особые свойства и называемыми гистонами. Нуклеопротеидные комплексы образуют особые структуры - нуклеосомы, которые, в свою очередь, входят в состав хромосом. Нуклеиновые кислоты могут находиться как в ядре, так и в цитоплазме клетки, присутствуя в составе некоторых ее органелл, например, митохондрий или хлоропластов.

Пространственная структура вещества наследственности

Чтобы понять функции ДНК и РНК, нужно детально разобраться с особенностями их строения. Как и белкам, нуклеиновым кислотам присущи несколько уровней организации макромолекул. Первичная структура представлена полинуклеотидными цепями, вторичная и третичная конфигурации самоусложняются благодаря возникающему ковалентному типу связи. Особая роль в поддержании пространственной формы молекул принадлежит водородным связям, а также вандерваальсовым силам взаимодействия. В результате образуется компактная структура ДНК, называемая суперспиралью.

Мономеры нуклеиновых кислот

Строение и функции ДНК, РНК, белков и других органических полимеров зависят как от качественного, так и от количественного состава их макромолекул. Оба вида нуклеиновых кислот состоят из структурных элементов, именуемых нуклеотидами. Как известно из курса химии, строение вещества обязательно влияет на его функции. ДНК и РНК не являются исключением. Оказывается, что от нуклеотидного состава зависит вид самой кислоты и ее роль в клетке. Каждый мономер содержит три части: азотистое основание, углевод и остаток ортофосфорной кислоты. Известно четыре вида азотистых оснований для ДНК: аденин, гуанин, тимин и цитозин. В молекулах РНК ими будут, соответственно, аденин, гуанин, цитозин и урацил. Углевод представлен различными видами пентозы. В рибонуклеиновой кислоте находится рибоза, а в ДНК - ее обескислороженная форма, называемая дезоксирибозой.

Особенности дезоксирибонуклеиновой кислоты

Сначала мы рассмотрим строение и функции ДНК. РНК, имеющая более простую пространственную конфигурацию, будет изучена нами в следующем разделе. Итак, две полинуклеотидные нити удерживаются между собой многократно повторяющимися водородными связями, образующимися между азотистыми основаниями. В паре "аденин - тимин" присутствуют две, а в паре "гуанин - цитозин" - три водородные связи.

Консервативное соответствие пуриновых и пиримидиновых оснований было открыто Э. Чаргаффом и получило название принципа комплементарности. В отдельно взятой цепи нуклеотиды связаны между собой фосфодиэфирными связями, формирующимися между пентозой и остатком ортофосфорной кислоты рядом расположенных нуклеотидов. Спиральный вид обеих цепей поддерживается водородными связями, возникающими между атомами водорода и кислорода, находящимися в составе нуклеотидов. Высшая - третичная структура (суперспираль) - характерна для ядерной ДНК эукариотических клеток. В таком виде она присутствует в хроматине. Однако бактерии и дезоксирибонуклеиновую кислоту, не связанную с белками. Она представлена кольцеобразной формой и называется плазмидой.

Такой же вид имеет ДНК митохондрий и хлоропластов - органелл растительных и животных клеток. Далее мы выясним, чем отличаются между собой функции ДНК и РНК. Таблица, приведенная ниже, укажет нам эти различия в строении и свойствах нуклеиновых кислот.

Рибонуклеиновая кислота

Молекула РНК состоит из одной полинуклеотидной нити (исключением являются двухцепочные структуры некоторых вирусов), которая может находиться как в ядре, так и в клеточной цитоплазме. Существует несколько видов рибонуклеиновых кислот, которые разнятся между собой строением и свойствами. Так, информационная РНК имеет наибольшую молекулярную массу. Она синтезируется в ядре клетки на одном из генов. Задача иРНК - перенести информацию о составе белка из ядра в цитоплазму. Транспортная присоединяет мономеры белков - аминокислоты - и доставляет их к месту биосинтеза.

Наконец, рибосомная РНК формируется в ядрышке и участвует в синтезе белка. Как видим, функции ДНК и РНК в клеточном метаболизме разнообразны и очень важны. Они будут зависеть, прежде всего, от того, в клетках каких организмов находятся молекулы вещества наследственности. Так, у вирусов рибонуклеиновая кислота может выступать носителем наследственной информации, тогда как в клетках эукариотических организмов эту способность имеет только дезоксирибонуклеиновая кислота.

Функции ДНК и РНК в организме

По своему наряду с белками, являются важнейшими органическими соединениями. Они сохраняют и передают наследственные свойства и признаки от родительской особи к потомству. Давайте определим, чем отличаются между собой функции ДНК и РНК. Таблица, представленная ниже, покажет эти различия подробнее.

Каковы особенности вещества наследственности вирусов?

Нуклеиновые кислоты вирусов могут иметь вид как одно-, так и двухнитевых спиралей или колец. Согласно классификации Д.Балтимора, эти объекты микромира содержат молекулы ДНК, состоящие из одной или двух цепей. К первой группе относятся возбудители герпеса и аденовирусы, а во вторую входят, например, парвовирусы.

В вирусологии принято разделение этих организмов на несколько групп. Так, к первой относятся виды, которые называются одноцепочечными (+) РНК. У них нуклеиновая кислота выполняет такие же функции, как и информационная РНК эукариотических клеток. В другую группу входят однонитевые (-) РНК. Сначала с их молекулами происходит транскрипция, приводящая к появлению молекул(+) РНК, а те, в свою очередь, служат матрицей для сборки вирусных белков.

На основании всего вышесказанного, для всех организмов, включая и вирусы, функции ДНК и РНК кратко характеризуются так: хранение наследственных признаков и свойств организма и дальнейшая передача их потомству.