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.

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»

13. Строение и функции днк. Механизмы редупликации днк. Биологическое значение. Генетический код, ее структурная организация и свойства

ДНК – сложное органическое соединение, являющееся материальным носителем наследственной информации. Представляет собой двойной неразветвленный линейный полимер, мономерами которого служат нуклеотид. Нуклеотид ДНК состоит из азотистого основания, остатка фосфорной кислоты и углевода дезоксирибозы. Имеются 4 типа нуклеотидов, различающихся по азотистому основанию: адениновый, в состав которого входит аденин, цитозиновый – цитозин, гуаниновый - гуанин, тиминовый – тимин. Азотистое основание одной нити ДНК связано водородным мостиком с основанием другой, причем так, что А связан с Т, а Г с Ц. Они комплементарны друг другу. Именно на этом основано свойство ДНК, объясняющую её биологическую роль: способность к самовоспроизведению, т.е. к авторепродукции. Авторепродукция молекул ДНК происходит под воздействием ферментов полимеразы. При этом комплементарные цепи молекул ДНК раскручиваются и расходятся. Затем каждая из них начинает синтезировать новую. Поскольку каждое из оснований в нуклеотидах может присоединить другой нуклеотид только строго определенного строения, происходит точное воспроизведение материнской молекулы. Основная биологическая функция ДНК заключается в хранении, постоянном самовозобновлении и передаче генетической информации в клетке. Генетический код – это система расположения нуклеотидов в молекуле ДНК, контролирующая последовательность расположения аминокислот в молекуле ДНК. Сами гены не принимают непосредственного участия в синтезе белка. Посредником между геном и белком является иРНК. Ген является матрицей для построения молекулы иРНК. Кодирование информации должно осуществляться сочетаниями нескольких нуклеотидов. В многообразии белков было обнаружено 20 аминокислот. Для шифровки такого их числа достаточное количество сочетаний нуклеотидов может обеспечить лишь триплетный код, в котом каждая аминокислота шифруется тремя стоящими рядом нуклеотидами. В этом случае из 4 нуклеотидов образуется 64 триплета. Из 64 триплетов ДНК 61 кодирует различные аминокислота, оставшиеся 3 получили название бессмысленных, или нонсенс-триплетов, они выполняют функцию знаков препинания. Последовательность триплетов определяет порядок расположения аминокислот в молекуле белка. Свойства генетического кода: Вырожденность. Она проявляется в том, что многие аминокислоты шифруются несколькими триплетами. Специфичность. Каждый триплет может кодировать только одну определенную аминокислоту Универсальность. Свидетельствует о единстве происхождения всего многообразия живых форм на Земле в процессе биологической эволюции. Наряду с этими свойствами важнейшими характеристиками генетического кода являются непрерывность и непререкаемость кодонов при считывании. Это означает, что последовательность нуклеотидов считывается триплет за триплетом без пропусков, при этом соседние триплеты не перекрывают друг друга.

14. Биосинтез белка.

Одним из центральных процессов метаболизма клетки является синтез белка – формирование сложной молекулы белка-полимера из аминокислот-мономеров. Процесс этот протекает в цитоплазме клеток, в рибосомах при посредстве иРНК и находится под контролем ДНК ядра. Биосинтез белка состоит из 2 этапов: транскрипции и трансляции Транскрипция – процесс переноса генетического кода, записанного на молекуле ДНК на молекулу иРНК. Осуществляется в ядре. Транскрипция происходит при синтезе молекул иРНК, нуклеотиды которой присоединяются к нуклеотидам ДНК по принципу комплементарности. Молекула иРНК снимается с ДНК, как с матрицы, после чего она отделяется и перемещается в цитоплазму, где в специальных органоидах – рибосомах происходит процесс трансляции. Трансляция. Трансляция - процесс перевода генетической информации, записанной на иРНК в структуры белковой молекулы, синтезируемой на рибосомах при участии тРНК. Молекулы иРНК прикрепляются к рибосомам, а затем постепенно протягиваются через тело рибосомы. В каждый момент внутри рибосомы находится незначительный участок иРНК. Триплеты нуклеотидов передают информацию к тРНК, кодовый триплет которых комплементарен триплету иРНК. тРНК переносит аминокислоты к рибосомам. Молекула тРНК, несущая первую аминокислоту белковой молекулы, присоединяется к комплементарному ей кодону. Рибосома перемещается на 1 триплет вперед. К новому кодону рибосомы присоединяется новая тРНК, несущая вторую аминокислоту. Затем между аминокислотами возникает пептидная связь и образуется дипептид. Одновременно разрушается связь между первой аминокислотой и её тРНК, которая удаляется, а дипептид связан только со второй тРНК. Затем рибосома перемещается еще на 1 триплет. Затем к новому кодону рибосомы присоединяется уже третья молекула тРНК, несущая третью аминокислоту. При этом теряется связь второй тРНК с аминокислотой. Это происходит до тех пор, пока не будет построена вся полипептидная цепь

Существует два типа нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Мономерами в нуклеиновых кислотах служат нуклеотиды. Каждый из них содержит азотистое основание, пятиуглеродный сахар (дезоксирибоза - в ДНК, рибоза - в РНК) и остаток фосфорной кислоты.

В ДНК входят четыре вида нуклеотидов, отличающихся по азотистому основанию в их составе, - аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). В молекуле РНК также имеется 4 вида нуклеотидов с одним из азотистых оснований - аденином, гуанином, цитозином и урацилом (У). Таким образом, ДНК и РНК различаются как по содержанию сахара в нуклеотидах, так и по одному из азотистых оснований

Молекулы ДНК и РНК существенно различаются по своему строению и выполняемым функциям.

Молекула ДНК может включать огромное количество нуклеотидов - от нескольких тысяч до сотен миллионов (поистине гигантские молекулы ДНК удается «увидеть» с помощью электронного микроскопа). В структурном отношении она представляет собой двойную спираль из полинуклеотидных цепей , соединенных с помощью водородных связей между азотистыми основаниями нуклеотидов. Благодаря этому полинуклеотидные цепи прочно удерживаются одна возле другой.

При исследовании различных ДНК (у разных видов организмов) было установлено, что аденин одной цепи может связываться лишь с тимином, а гуанин - только с цитозином другой. Следовательно, порядок расположения нуклеотидов в одной цепи строго соответствует порядку их расположения в другой. Этот феномен получил название комплементарности (т. е. дополнения), а противоположные полинуклеотидные цепи называются комплементарными. Именно этим обусловлено уникальное среди всех неорганических и органических веществ свойство ДНК - способность к самовоспроизведению или удвоению . При этом сначала комплементарные цепи молекул ДНК расходятся (под воздействием специального фермента происходит разрушение связей между комплементарными нуклеотидами двух цепей). Затем на каждой цепи начинается синтез новой («недостающей») комплементарной ей цепи за счет свободных нуклеотидов, всегда имеющихся в большом количестве в клетке. В результате вместо одной («материнской») молекулы ДНК образуются две («дочерние») новые, идентичные по структуре и составу друг другу, а также исходной молекуле ДНК. Этот процесс всегда предшествует клеточному делению и обеспечивает передачу наследственной информации от материнской клетки дочерним и всем последующим.

14 . Рибонуклеиновые кислоты, их виды, строение, назначение.

РНК - класс нуклеиновых кислот,линейных полимеровнуклеотидов, в состав которых входят остаток фосфорной кислоты, рибоза (в отличие отДНК, содержащей дезоксирибозу) и азотистые основания -аденин,цитозин,гуанини урацил (в отличие от ДНК, содержащий вместо урацила тимин). Эти молекулы содержатся в клетках всех живых организмов, а также в некоторых вирусов. РНК содержатся главным образом вцитоплазме клеток. Эти молекулы синтезируются в клетках всех клеточных живых организмов, а также содержатся в вироидах и некоторых вирусах. Основные функции РНК в клеточных организмах - это шаблон для трансляции генетической информации в белки и поставка соответствующих аминокислот к рибосомам. В вирусах является носителем генетической информации (кодирует белки оболочки и ферменты вирусов). Структура РНК .

Молекула имеет однонитевое строение. Полимер. В результате взаимодействия нуклеотидов друг с другом молекула РНК приобретает вторичную структуру, различной формы (спираль, глобула и т.д.). Мономером РНК является нуклеотид (молекула, в состав которой входит азотистое основание, остаток фосфорной кислоты и сахар (пептоза)). РНК напоминает по своему строению одну цепь ДНК. Нуклеотиды, входящие в состав РНК: гуанин, аденин, цитозин, урацил. Аденин и гуанин относятся к пуриновым основаниям, цитозин и урацил к пиримидиновым. В отличие от молекулы ДНК, в качестве углеводного компонента рибонуклеиновой кислоты выступает не дезоксирибоза, а рибоза. Вторым существенным отличием в химическом строении РНК от ДНК является отсутствие в молекуле рибонуклеиновой кислоты такого нуклеотида как тимин. В РНК он заменён на урацил.

Виды и типы РНК клеток.

Существуют три типа РНК, каждый из которых выполняет свою особую роль в синтезе белка.

1. Матричная РНК переносит генетический код из ядра в цитоплазму, определяя таким образом синтез разнообразных белков.

2. Транспортная РНК переносит активированные аминокислоты к рибосомам для синтеза полипептидных молекул.

3. Рибосомная РНК в комплексе примерно с 75 разными белками формирует рибосомы - клеточные органеллы, на которых происходит сборка полипептидных молекул.

Матричная РНК представляет собой длинную одноцепочечную молекулу, присутствующую в цитоплазме. Эта молекула РНК содержит от нескольких сотен до нескольких тысяч нуклеотидов РНК, образующих кодоны, строго комплементарные триплетам ДНК.

Еще один тип РНК, играющий важнейшую роль в синтезе белка, называют транспортной РНК , поскольку он транспортирует аминокислоты к строящейся молекуле белка. Каждая транспортная РНК специфически связывается только с одной из 20 аминокислот, составляющих белковые молекулы. Транспортные РНК действуют как переносчики специфических аминокислот, доставляя их к рибосомам, на которых происходит сборка полипептидных молекул.

Каждая специфическая транспортная РНК распознает «свой» кодон матричной РНК, прикрепившейся к рибосоме, и доставляет соответствующую аминокислоту на соответствующую позицию в синтезируемой полипептидной цепи. Цепь транспортной РНК гораздо короче матричной РНК, содержит всего около 80 нуклеотидов и упакована в форме клеверного листа. На одном конце транспортной РНК всегда находится аденозинмонофосфат (АМФ), к которому через гидроксильную группу рибозы прикрепляется транспортируемая аминокислота. Транспортные РНК служат для прикрепления специфических аминокислот к строящейся полипептидной молекуле, поэтому необходимо, чтобы каждая транспортная РНК обладала специфичностью и в отношении соответствующих кодонов матричной РНК. Код, посредством которого транспортная РНК распознает соответствующий кодон на матричной РНК, также является триплетом и его называют антикодоном. Антикодон располагается примерно посередине молекулы транспортной РНК. Во время синтеза белка азотистые основания антикодона транспортной РНК прикрепляются с помощью водородных связей к азотистым основаниям кодона матричной РНК. Таким образом, на матричной РНК выстраиваются в определенном порядке одна за другой различные аминокислоты, формируя соответствующую аминокислотную последовательность синтезируемого белка.

В данной статье вы сможете узнать биологическую роль ДНК. Итак, данная аббревиатура всем знакома еще со школьной скамьи, но далеко не все имеют представление, что это такое. В памяти после школьного курса биологии остаются минимальные знания по генетике и наследственности, так как эту сложную тему детям дают только поверхностно. Но эти знания (биологическая роль ДНК, оказываемое влияние на организм) могут быть невероятно полезными.

Начнем с того, что нуклеиновые кислоты выполняют важную функцию, а именно - обеспечивают непрерывность жизни. Эти макромолекулы представлены в двух формах:

• ДНК (DNA);
• РНК (RNA).

Они являются передатчиками генетического плана строения и функционирования клеток организма. Поговорим о них более подробно.

ДНК и РНК

Начнем с того, какая отрасль науки занимается такими сложными вопросами, как:

• изучение принципов хранения ;
• ее реализация;
• передача;
• изучение структуры биополимеров;
• их функции.

Все это изучается молекулярной биологией. Именно в этой отрасли биологических наук можно найти ответ на вопрос о том, какова биологическая роль ДНК и РНК.

Эти высокомолекулярные соединения, образованные из нуклеотидов, имеют название "нуклеиновые кислоты". Именно здесь хранится информация об организме, которая определяет развитие особи, рост и наследственность.

Открытие дезоксирибонуклеиновой и приходится на 1868 год. Тогда ученым удалось обнаружить их в ядрах лейкоцитов и сперматозоидах лося. Последующее изучение показало, что ДНК можно обнаружить во всех клетках растительной и животной природы. Модель ДНК была представлена в 1953 году, а Нобелевская премия за открытие вручена в 1962 году.

ДНК

Начнем этот раздел с того, что всего выделяется 3 типа макромолекул:

• дезоксирибонуклеиновая кислота;
• рибонуклеиновая кислота;
• белки.

Сейчас мы более подробно рассмотрим строение, биологическую роль ДНК. Итак, этот биополимер передает данные о наследственности, особенностях развития не только носителя, но и всех предыдущих поколений. - нуклеотид. Таким образом, ДНК является главным компонентом хромосом, содержащим генетический код.

Как становится возможной передача этой информации? Все дело заключается в умении этих макромолекул самовоспроизводиться. Число их бесконечно, что можно объяснить большими размерами, а как следствие - огромным количеством всевозможных последовательностей нуклеотидов.

Структура ДНК

Для того чтобы понять биологическую роль ДНК в клетке, необходимо ознакомиться со структурой данной молекулы.

Начнем с самого простого, все нуклеотиды в своей структуре имеют три компонента:

• азотистое основание;
• пентозный сахар;
• фосфатную группу.

Каждый отдельный нуклеотид в молекуле ДНК содержит одно азотистое основание. Оно может быть абсолютно любым из четырех возможных:

• А (аденин);
• Г (гуанин);
• Ц (цитозин);
• Т (тимин).

А и Г - пурины, а Ц, Т и У (урацил) - пирамидины.

Существует несколько правил соотношения азотистых оснований, именуемых правилами Чаргаффа.

1. А = Т.
2. Г = Ц.
3. (А + Г = Т + Ц) можем перенести все неизвестные в левую сторону и получить: (А + Г)/(Т + Ц) = 1 (эта формула является наиболее удобной при решении задач по биологии).
4. А + Ц = Г + Т.
5. Величина (А + Ц)/(Г + Т) постоянная. У человека она равняется 0,66, а вот, например, у бактерии - от 0,45 до 2,57.

Строение каждой молекулы ДНК напоминает двойную закрученную спираль. Обратите внимание на то, что полинуклеотидные цепи при этом являются антипараллельными. То есть расположение нуклеотидных пар у одной цепи имеет обратную последовательность, чем у другой. Каждый виток этой спирали содержит целых 10 нуклеотидных пар.

Как же скрепляются между собой эти цепочки? Почему молекула прочная и не распадается? Все дело в водородной связи между азотистыми основаниями (между А и Т - две, между Г и Ц - три) и гидрофобном взаимодействии.

В завершение раздела хочется упомянуть о том, что ДНК являются самыми крупными органическими молекулами, длина которых варьируется от 0,25 до 200 нм.

Комплементарность

Остановимся более подробно на парных связях. Уже мы говорили о том, что пары азотистых оснований образуются не хаотичным характером, а в строгой последовательности. Так, аденин может связаться только с тимином, а гуанин - только с цитозином. Это последовательное расположение пар в одной цепи молекулы диктует расположение их в другой.

При репликации или удвоении для образования новой молекулы ДНК обязательно соблюдается данное правило, имеющее название "комплементарность". Можно заметить следующую закономерность, которую упоминали в сводке правил Чаргаффа - одинаково число следующих нуклеотидов: А и Т, Г и Ц.

Репликация

Теперь поговорим о биологической роли репликации ДНК. Начнем с того, что у данной молекулы есть эта уникальная способность к самовоспроизведению. Под этим термином понимается синтез дочерней молекулы.

В 1957 году было предложено три модели данного процесса:

• консервативная (сохраняется исходная молекула и образуется новая);
• полуконсервативная (разрыв исходной молекулы на моноцепи и присоединение комплементарных оснований к каждой из них);
• дисперсная (распад молекулы, репликация фрагментов и сбор в случайном порядке).

Процесс репликации имеет три этапа:

• инициация (расплетение участков ДНК при помощи фермента хеликазы);
• элонгация (удлинение цепи путем присоединения нуклеотидов);
• терминация (достижение необходимой длины).

У этого сложного процесса есть особенная функция, то есть биологическая роль - обеспечение точной передачи генетической информации.

РНК

Рассказали, в чем заключается биологическая роль ДНК, теперь предлагаем переходить к рассмотрению (то есть РНК).

Начнем этот раздел с того, что эта молекула имеет не менее важное значение по сравнению с ДНК. Мы ее можем обнаружить абсолютно в любом организме, клетках прокариот и эукариот. Данная молекула наблюдается даже в некоторых вирусах (речь идет об РНК-содержащих вирусах).

Отличительная особенность РНК - наличие одной цепи молекул, но, как и ДНК, она состоит из четырех азотистых оснований. В данном случае это:

• аденин (А);
• урацил (У);
• цитозин (Ц);
• гуанин (Г).

Все РНК делятся на три группы:

• матричная, которую принято называть информационной (сокращение возможно двумя формами: иРНК или мРНК);
• рибосомная (рРНК).

Функции

Разобравшись с биологической ролью ДНК, ее строением и особенностями РНК, предлагаем переходить к особым миссиям (функциям) рибонуклеиновых кислот.

Начнем с иРНК или мРНК, основной задачей которой является передача информации от молекулы ДНК к цитоплазме ядра. Также мРНК является матрицей для синтеза белка. Что касается процентного содержания этого вида молекул, то оно достаточно низкое (порядка 4 %).

А процентное содержание рРНК в клетке равняется 80. Они необходимы, так как являются основой рибосом. Рибосомная РНК принимает участие в синтезе белка и сборке полипептидной цепи.

Адаптер, выстраивающий аминокислоты цепи - тРНК, переносящий аминокислоты в область синтеза белка. Процентное содержание в клетке - порядка 15 %.

Биологическая роль

Подведем итог: какова биологическая роль ДНК? В момент открытия этой молекулы очевидной информации по этому поводу дать не могли, но и сейчас далеко не все известно о значении ДНК и РНК.

Если говорить об общебиологическом значении, то их роль заключается в передаче наследственной информации от поколения к поколению, синтезе белка и кодировке белковых структур.

Многие высказывают и такую версию: эти молекулы связаны не только с биологической, но и с духовной жизнью живых существ. Если верить мнению метафизиков, то в ДНК содержится опыт прошлых жизней и божественная энергия.