Из курса биологии растений и животных вспомните, где в клетках хранится наследственная информация. Какие вещества отвечают за хранение и воспроизведение наследственной информации? Одинаковы ли эти вещества у растений и животных?

Нуклеиновые кислоты и нуклеотиды

Молекулы нуклеиновых кислот являются крупными органическими молекулами — биополимерами, мономерами которых являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов — азотистого основания, моносахарида (рибозы или дезоксирибозы) и остатка ортофосфатной кислоты (рис. 8.1).

В состав нуклеиновых кислот входят пять видов азотистых оснований (рис. 8.2). Различают, собственно, пять видов нуклеотидов: тимидиловый (основание — тимин), цитидиловый (основание — цитозин), уридиловый (основание — урацил), адениловый (основание — аденин), гуаниловый (основание — гуанин).

В клетках живых организмов отдельные нуклеотиды используются также в различных процессах обмена веществ как самостоятельные соединения.

При образовании молекул нуклеиновой кислоты между остатком ортофосфатной кислоты одного нуклеотида и моносахаридом другого

образуется прочная ковалентная связь. Поэтому нуклеиновые кислоты, образующиеся таким образом, имеют вид цепи, в которой нуклеотиды последовательно расположены друг за другом. Их число в одной молекуле биополимера может достигать нескольких миллионов.

ДНК и РНК

В клетках живых организмов присутствует два типа нуклеиновых кислот — РНК (рибонуклеиновая кислота) и ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Они различаются между собой по составу и особенностями строения.

Главной функцией ДНК и РНК является хранение и воспроизведение наследственной информации, чему способствует строение их молекул.

РНК хранит наследственную информацию менее надежно, чем ДНК, поэтому данный способ хранения использует только часть вирусов.

Строение молекул нуклеиновых кислот

В состав нуклеотидов ДНК входят моносахарид дезоксирибоза и четыре азотистых основания — аденин, тимин, цитозин и гуанин. А сами молекулы ДНК обычно состоят из двух нуклеотидных цепочек, которые соединены между собой водородными связями (рис. 8.3).

В нуклеотидах РНК вместо дезоксирибозы содержится моносахарид рибоза, а вместо тимина — урацил. Молекула РНК обычно состоит из одной нуклеотидной цепочки, различные фрагменты которой образуют между собой водородные связи. Между гуанином и цитозином образуются три такие связи, а между аденином и тимином или аденином и урацилом — две.

Молекула ДНК состоит из двух нуклеотидных цепочек, соединенных по принципу комплементарности (дополнения): напротив каждого нуклеотида одной цепи размещается тот нуклеотид второй цепи, который ему соответствует. Так, напротив аденилового нуклеотида размещается тимидиловый, а напротив цитидилового — гуаниловый (рис. 8.4). Поэтому в молекулах ДНК количество адениловых нуклеотидов всегда равно количеству тимидиловых нуклеотидов, а количество гуаниловых — количеству цитидиловых.

АТФ и ее роль в жизнедеятельности клеток

В жизнедеятельности клетки активное участие принимают не только РНК и ДНК, но и отдельные нуклеотиды. Особенно важными являются соединения нуклеотидов с остатками ортофосфатной кислоты. Таких остатков к нуклеотиду может присоединяться от одного до трех. Соответственно, и называют их по числу этих остатков: АТФ — аденозинтриортофосфат (аденозинтриортофосфорная кислота), ГТФ — гуанозинтриортофосфат, АДФ — аденозиндиортофосфат, АМФ — аденозинмоноортофосфат. все нуклеотиды, которые входят в состав нуклеиновых кислот, являются монофосфатами. Три- и дифосфаты также играют важную роль в биохимических процессах клеток.

Наиболее распространенным в клетках живых организмов является АТФ. Он играет роль универсального источника энергии для биохимических реакций, а также участвует в процессах роста, движения и размножения клеток. Большое количество молекул АТФ образуется в процессах клеточного дыхания и фотосинтеза.

Преобразование энергии и реакции синтеза в биологических системах

АТФ обеспечивает энергией большинство процессов, происходящих в клетках. в первую очередь, это процессы синтеза органических веществ, которые осуществляются с помощью ферментов.

Для того чтобы ферменты могли осуществить биохимическую реакцию, им в большинстве случаев требуется энергия.

Молекулы АТФ при взаимодействии с ферментами распадаются на две молекулы — ортофосфатную кислоту и АДФ. При этом выделяется энергия:

Эту энергию и используют ферменты для работы. А почему именно АТФ? Потому что связь остатков ортофосфатной кислоты в этой молекуле является не обычной, а макроэргической (высокоэнергетической) (рис. 8.5). Для образования этой связи требуется много энергии, но и во время ее разрушения энергия выделяется в больших количествах.

Когда молекулы углеводов, белков, липидов в клетках расщепляются, то происходит выделение энергии. Эту энергию клетка запасает. Для этого к нуклеотидам моноортофосфатам (например, АМФ) присоединяется один или два остатка ортофосфатной кислоты и образуются молекулы ди- или триортофосфатов (соответственно, АДФ или АТФ). Образующиеся связи являются макроэргическими. Таким образом,

АДФ содержит одну макроэргическую связь, а АТФ — две. во время синтеза новых органических соединений макроэргические связи разрушаются и обеспечивают соответствующие процессы энергией.

Все клеточные формы жизни на нашей планете содержат в своих клетках и РНК, и ДНК. А вот в вирусах присутствует только один тип нуклеиновой кислоты. в их вирионах под белковой оболочкой содержится или РНК, или ДНК. Только когда вирус попадает в клетку-хозяина, он обычно начинает синтезировать и ДНК, и РНК.

Нуклеиновые кислоты являются биополимерами, которые представлены в живых организмах в виде ДНК и РНК. Их мономерами являются нуклеотиды. ДНК обычно имеет форму двойной спирали, состоящей из двух цепей. РНК чаще всего имеет вид одинарной цепи. Основной функцией нуклеиновых кислот является хранение и воспроизводство генетической информации. Нуклеотиды также участвуют в биохимических процессах клетки, а АТФ играет роль универсального источника энергии для биохимических реакций.

Проверьте свои знания

1. Чем ДНК отличается от РНК? 2. Зачем живым организмам нужны нуклеиновые кислоты? 3. Какие функции выполняет в клетках АТФ? 4. Достройте вторую цепочку ДНК по принципу комплементарности, если первая цепочка такая: АГГТТАТАЦГЦЦТАГААТЦГГГАА. 5*. ДНК не способна быть катализатором биохимических реакций. А вот некоторые молекулы РНК (их называют рибозимами) могут быть катализаторами. С какими особенностями строения этих молекул это может быть связано? 6*. Почему макроэргические связи удобны для использования в биохимических процессах клетки?

Обобщающие задания к теме «Химический состав клетки и биологические молекулы»

В заданиях 1-9 выберите один правильный ответ.

1 Изображенная на рис. 1 структура выполняет функцию:

а) хранит и воспроизводит наследственную информацию

б) транспортирует вещества

В) создает запас питательных веществ

г) катализирует реакции

2) Из тех же мономеров, что и вещество на рис. 1, состоит:

а) коллаген б) крахмал в) РНК г) эстроген

3) вещество на рис. 1 может накапливаться:

а) на внешней мембране митохондрий

б) в клеточной стенке дрожжей

В) в клетках печени человека

г) в хлоропластах кукурузы

4 Изображенная на рис. 2 структура является компонентом:

а) клеточной стенки растений

б) белков

г) внутреннего слоя клеточной мембраны

5) Цифрой 3 на рис. 2 обозначили:

а) карбонильную группу в) карбоксильную группу

б) гидроксильную группу г) радикал

6) Аминогруппа на рис. 2 обозначена цифрой:

а) 1 б) 2 в) 3 г) 4

7) Структура на рис. 2 является мономером:

а) нуклеиновой кислоты в) липида

б) белка г) полисахарида

8) Моносахарид на рис. 3 обозначен цифрой:

а) 1 б) 2 в) 3 г) 4

9) Структура на рис. 3 является мономером:

а) нуклеиновой кислоты в) белка

б) липида г) полисахарида

10 Напишите названия групп органических веществ, к которым относятся молекулы, изображенные на рисунках:

11 Рассмотрите структурную формулу молекулы, изображенной на рисунке. Объясните, каким образом строение этой молекулы позволяет ей эффективно выполнять свои функции.

12 Достройте комплементарную цепь ДНК: АТТГАЦЦЦГАТТАГЦ.

13 Установите соответствие между группами органических веществ и веществами, которые к ним относятся.

Группы вещества

1 белки а) прогестерон

2 углеводы б) гемоглобин

3 липиды в) крахмал

г) инсулин

д) фруктоза

е) тестостерон

Проверьте свои знания по теме «Химический состав клетки и биологические молекулы».

Мини-справочник

Сведения об органических веществах

Структура органической молекулы на примере аланина

Типы связей в молекуле белка

Ковалентные связи

Образуются между атомами элементов в молекуле вещества за счет общих электронных пар. в молекулах белков имеются пептидные и дисульфидные связи. Обеспечивают прочное химическое взаимодействие.

Пептидная связь

Пептидные связи возникают между карбоксильной группой (-COOH) одной аминокислоты и аминогруппой (-NH 2) другой аминокислоты.

Дисульфидная связь

Дисульфидная связь может возникать между различными участками одной и той же полипептидной цепи, при этом она удерживает эту цепь в изогнутом состоянии. Если дисульфидная связь образуется между двумя полипептидами, то она объединяет их в одну молекулу.

Нековалентные связи

В молекулах белков имеются водородные, ионные связи и гидрофобные взаимодействия. Обеспечивают слабые химические взаимодействия.

Водородная связь

Образуется между положительно заряженными атомами H одной функциональной группы и отрицательно заряженным атомом O или N, имеющим неподеленную электронную пару, другой функциональной группы.

Ионная связь

Образуется между положительно и отрицательно заряженными функциональными группами (дополнительными карбоксильными и аминогруппами), которые находятся в радикалах лизина, аргинина, гистидина, аспарагиновой и глутаминовой кислот.

Гидрофобное

Взаимодействие

Образуется между радикалами гидрофобных аминокислот.

Это материал учебника

Важнейшим веществом в клетках живых организмов является аденозинтрифосфорная кислота или аденозинтрифосфат. Если ввести аббревиатуру этого названия, то получим АТФ (англ. ATP). Это вещество относится к группе нуклеозидтрифосфатов и играет ведущую роль в процессах метаболизма в живых клетках, являясь для них незаменимым источником энергии.

Вконтакте

Первооткрывателями АТФ стали учёные-биохимики гарвардской школы тропической медицины - Йеллапрагада Суббарао, Карл Ломан и Сайрус Фиске. Открытие произошло в 1929 году и стало главной вехой в биологии живых систем. Позднее, в 1941 году, немецким биохимиком Фрицем Липманом было установлено, что АТФ в клетках является основным переносчиком энергии.

Строение АТФ

Эта молекула имеет систематическое наименование, которое записывается так: 9-β-D-рибофуранозиладенин-5′-трифосфат, или 9-β-D-рибофуранозил-6-амино-пурин-5′-трифосфат. Какие соединения входят в состав АТФ? Химически она представляет собой трифосфорный эфир аденозина - производного аденина и рибозы . Это вещество образуется путём соединения аденина, являющегося пуриновым азотистым основанием, с 1′-углеродом рибозы при помощи β-N-гликозидной связи. К 5′-углероду рибозы затем последовательно присоединяются α-, β- и γ-молекулы фосфорной кислоты.

Таким образом, молекула АТФ содержит такие соединения, как аденин, рибозу и три остатка фосфорной кислоты. АТФ - это особое соединение, содержащее связи, при которых высвобождается большое количество энергии. Такие связи и вещества называются макроэргическими. Во время гидролиза этих связей молекулы АТФ происходит выделение количества энергии от 40 до 60 кДж/моль, при этом данный процесс сопровождается отщеплением одного или двух остатков фосфорной кислоты.

Вот как записываются эти химические реакции :

• 1). АТФ + вода→АДФ + фосфорная кислота + энергия;
• 2). АДФ + вода→АМФ + фосфорная кислота + энергия.

Энергия, высвобожденная в ходе указанных реакций, используется в дальнейших биохимических процессах, требующих определённых энергозатрат.

Роль АТФ в живом организме. Её функции

Какую функцию выполняет АТФ? Прежде всего, энергетическую. Как уже было выше сказано, основной ролью аденозинтрифосфата является энергообеспечение биохимических процессов в живом организме. Такая роль обусловлена тем, что благодаря наличию двух высокоэнергетических связей, АТФ выступает источником энергии для многих физиологических и биохимических процессов, требующих больших энергозатрат. Такими процессами являются все реакции синтеза сложных веществ в организме. Это, прежде всего, активный перенос молекул через клеточные мембраны, включая участие в создании межмембранного электрического потенциала, и осуществление сокращения мышц.

Кроме указанной, перечислим ещё несколько, не менее важных, функций АТФ , таких, как:

Как образуется АТФ в организме?

Синтез аденозинтрифосфорной кислоты идёт постоянно , т. к. энергия организму для нормальной жизнедеятельности нужна всегда. В каждый конкретный момент содержится совсем немного этого вещества - примерно 250 граммов, которые являются «неприкосновенным запасом» на «чёрный день». Во время болезни идёт интенсивный синтез этой кислоты, потому что требуется много энергии для работы иммунной и выделительной систем, а также системы терморегуляции организма, что необходимо для эффективной борьбы с начавшимся недугом.

В каких клетках АТФ больше всего? Это клетки мышечной и нервной тканей, поскольку в них наиболее интенсивно идут процессы энергообмена. И это очевидно, ведь мышцы участвуют в движении, требующем сокращения мышечных волокон, а нейроны передают электрические импульсы, без которых невозможна работа всех систем организма. Поэтому так важно для клетки поддерживать неизменный и высокий уровень аденозинтрифосфата.

Каким же образом в организме могут образовываться молекулы аденозинтрифосфата? Они образуются путём так называемого фосфорилирования АДФ (аденозиндифосфата) . Эта химическая реакция выглядит следующим образом:

АДФ + фосфорная кислота + энергия→АТФ + вода.

Фосфорилирование же АДФ происходит при участии таких катализаторов, как ферменты и свет, и осуществляется одним из трёх способов:

Как окислительное, так и субстратное фосфорилирование использует энергию веществ, окисляющихся в процессе такого синтеза.

Вывод

Аденозинтрифосфорная кислота - это наиболее часто обновляемое вещество в организме. Сколько в среднем живёт молекула аденозинтрифосфата? В теле человека, например, продолжительность её жизни составляет менее одной минуты, поэтому одна молекула такого вещества рождается и распадается до 3000 раз за сутки. Поразительно, но в течение дня человеческий организм синтезирует около 40 кг этого вещества! Настолько велики потребности в этом «внутреннем энергетике» для нас!

Весь цикл синтеза и дальнейшего использования АТФ в качестве энергетического топлива для процессов обмена веществ в организме живого существа представляет собой саму суть энергетического обмена в этом организме. Таким образом, аденозинтрифосфат является своего рода «батарейкой», обеспечивающей нормальную жизнедеятельность всех клеток живого организма.

Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus – ядро) – кислоты, впервые обнаруженные при исследовании ядер лейкоцитов; были открыты в 1868 г. И.Ф. Мишером, швейцарским биохимиком. Биологическое значение нуклеиновых кислот - хранение и передача наследственной информации; они необходимы для поддержания жизни и для ее воспроизведения.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеотид ДНК и нуклеотид РНК имеют черты сходства и различия.

Строение нуклеотида ДНК

Строение нуклеотида РНК

Молекула ДНК – двойная цепь, закрученная по спирали.

Молекула РНК представляет собой одиночную нить нуклеотидов, схожую по строению с отдельной нитью ДНК. Только вместо дезоксирибозы РНК включает другой углевод – рибозу (отсюда и название), а вместо тимина – урацил.

Две нити ДНК соединены друг с другом водородными связями. При этом наблюдается важная закономерность: напротив азотистого основания аденин А в одной цепи располагается азотистое основание тимин Т в другой цепи, а против гуанина Г всегда расположен цитозин Ц. Эти пары оснований называют комплементарными парами.

Таким образом, принцип комплементарности (от лат. complementum – дополнение) состоит в том, что каждому азотистому основанию, входящему в нуклеотид, соответствует другое азотистое основание. Возникают строго определенные пары оснований (А – Т, Г – Ц), эти пары специфичны. Между гуанином и цитозином – три водородные связи, а между аденином и тимином возникают две водородные связи в нуклеотиде ДНК, а в РНК две водородные связи возникают между аденином и урацилом.

Водородные связи между азотистыми основаниями нуклеотидов

Г ≡ Ц Г ≡ Ц

В результате у всякого организма число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых - числу цитидиловых. Благодаря этому свойству последовательность нуклеотидов в одной цепи определяет их последовательность в другой. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов называется комплементарностью, и это свойство лежит в основе образования новых молекул ДНК на базе исходной молекулы (репликации, т. е. удвоения).

Таким образом, количественное содержание азотистых оснований в ДНК подчинено некоторым правилам:

1) Сумма аденина и гуанина равна сумме цитозина и тимина А + Г = Ц + Т.

2) Сумма аденина и цитозина равна сумме гуанина и тимина А + Ц = Г + Т.

3) Количество аденина равно количеству тимина, количество гуанина равно количеству цитозина А = Т; Г = Ц.

При изменении условий ДНК, подобно белкам, может подвергаться денатурации, которая называется плавлением.

ДНК обладает уникальными свойствами: способностью к самоудвоению (репликация, редупликация) и способностью к самовосстановлению (репарация). Репликация обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была записана в материнской молекуле. Но в процессе репликации иногда возникают ошибки. Способность молекулы ДНК исправлять ошибки, возникающие в ее цепях, то есть восстанавливать правильную последовательность нуклеотидов, называется репарацией .

Молекулы ДНК находятся в основном в ядрах клеток и в небольшом количестве в митохондриях и пластидах – хлоропластах. Молекулы ДНК – носители наследственной информации.

Строение, функции и локализация в клетке. Различают три вида РНК. Названия связаны с выполняемыми функциями:

Сравнительная характеристика нуклеиновых кислот

Аденозинфосфорные кислоты - аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), аденозиндифосфорная кислота (АДФ), аденозинмонофосфорная кислота (АМФ).

В цитоплазме каждой клетки, а также в митохондриях, хлоропластах и ядрах содержится аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Она поставляет энергию для большинства реакций, происходящих в клетке. С помощью АТФ клетка синтезирует новые молекулы белков, углеводов, жиров, осуществляет активный транспорт веществ, биение жгутиков и ресничек.

АТФпо строению сходна с адениновым нуклеотидом, входящим в состав РНК, только вместо одной фосфорной кислоты в состав АТФ входят три остатка фосфорной кислоты.

Строение молекулы АТФ:

Неустойчивые химические связи, которыми соединены молекулы фосфорной кислоты в АТФ, очень богаты энергией. При разрыве этих связей выделяется энергия, которая используется каждой клеткой для обеспечения процессов жизнедеятельности:

АТФ АДФ + Ф + Е

АДФ АМФ + Ф + Е,

где Ф – фосфорная кислота Н3РО4, Е – освобождающаяся энергия.

Химические связи в АТФ между остатками фосфорной кислоты, богатые энергией, называются макроэргическими связями . Отщепление одной молекулы фосфорной кислоты сопровождается выделением энергии – 40 кДж.

АТФ образуется из АДФ и неорганического фосфата за счет энергии, освобождающейся при окислении органических веществ и в процессе фотосинтеза. Этот процесс называется фосфорилированием.

При этом должно быть затрачено не менее 40 кДж/моль энергии, которая аккумулируется в макроэргических связях. Следовательно, основное значение процессов дыхания и фотосинтеза определяется тем, что они поставляют энергию для синтеза АТФ, с участием которой в клетке выполняется большая часть работы.

АТФ чрезвычайно быстро обновляется. У человека, например, каждая молекула АТФ расщепляется и вновь восстанавливается 2 400 раз в сутки, так что ее средняя продолжительность жизни менее 1 мин. Синтез АТФ осуществляется главным образом в митохондриях и хлоропластах (частично в цитоплазме). Образовавшаяся здесь АТФ направляется в те участки клетки, где возникает потребность в энергии.

АТФ играет важную роль в биоэнергетике клетки: выполняет одну из важнейших функций – накопителя энергии, это универсальный биологический аккумулятор энергии.

Липиды — это органические вещества, которые не растворяются в воде, а растворяются в органических растворителях.

Липиды делятся на:

1. Жиры и масла (сложные эфиры трехатомного спирта глицерола и жирных кислот). Жирные кислоты бывают насыщенными (пальмитиновая, стеариновая, арахиновая) и ненасыщенными (олеиновая, линолевая, линоленовая). В маслах выше доля ненасыщенных жирных кислот, поэтому при комнатной температуре они находятся в жидком состоянии. В жирах полярных животных, по сравнению с тропическими животными, также содержится больше ненасыщенных жирных кислот.

2. Липоиды (жироподобные вещества). К ним относят: а) фосфолипиды, б) жирорастворимые витамины (A, D, Е, К), в) воска, г) простые липиды, не содержащие жирных кислот: стероиды (холестерол, гормоны коры надпочечников, половые гормоны) и терпены(гиббереллины – гормоны роста растений, каротиноиды – фотосинтетические пигменты, ментол).

Молекулы фосфолипидов имеют полярные «головки» (гидрофильные участки) и неполярные «хвосты» (гидрофобные участки). Благодаря такому строению они играют важную роль в образовании биологических мембран.

Функции липидов:

1) энергетическая — жиры источник энергии в клетке. При расщеплении 1 грамма выделяется 38,9 кДж энергии;

2) структурная (строительная) — фосфолипиды входят в состав биологических мембран;

3) защитная и теплоизоляционная — подкожная жировая клетчатка, защищает организм от переохлаждения и травм;

4) запасающая — жиры составляют запас питательных веществ, откладываясь в жировых клетках животных и в семенах растений;

5) регуляторная — стероидные гормоны участвуют в регуляции обмена веществ в организме (гормоны коры надпочечников, половые гормоны).

6) источник воды — при окислении 1 кг жира образуется 1,1 кг воды. Это используется животными пустыни, так верблюд может не пить 10-12 дней.

Углеводы - сложные органические вещества, общая формула которых Cn(H2O)m. Они состоят из углерода, водорода и кислорода. В клетках животных их содержится 1-2%, а в клетках растений до 90% от массы сухого вещества.

Углеводы делятся на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Моносахариды в зависимости от количества атомов углерода подразделяются на триозы (С3), тетрозы (С4), пентозы (С5), гексозы (С6), и т.д. Важную роль в жизнедеятельности клетки играют:

1) Пентозы. Рибоза и дезоксирибоза — входят в состав нуклеиновых кислот.

2) Гексозы: глюкоза, фруктоза, галактоза. Фруктоза содержится во многих плодах и в меде, обусловливая их сладкий вкус. Глюкоза является основным энергетическим материалом в клетке при обмене веществ. Галактоза входит в состав молочного сахара (лактозы).

D:\Program Files\Physicon\Open Biology 2.6\content\3DHTML\08010203.htm

Мальтоза

Молекулы олигосахаридов образуются в процессе полимеризации 2-10 моносахаридов. При соединении двух моносахаридов образуются дисахариды: сахароза, состоящая из молекул глюкозы и фруктозы; лактоза, состоящая из молекул глюкозы и галактозы; мальтоза, состоящая из двух молекул глюкозы. В олигосахаридах и полисахаридах молекулы мономеров соединены гликозидными связями.

Полисахариды образуются в процессе полимеризации большого количества моносахаридов. К полисахаридам относятся гликоген (основное запасное вещество в клетках животных); крахмал (основное запасное вещество в клетках растений); целлюлоза (содержится в клеточных стенках растений), хитин (содержится в клеточной стенке грибов). Мономером гликогена, крахмала и целлюлозы является глюкоза.

D:\Program Files\Physicon\Open Biology 2.6\content\3DHTML\08010208.htmЦеллюлоза

Функции углеводов:

1) энергетическая - углеводы основной источник энергии в клетке. При расщеплении 1 грамма углеводов выделяется 17,6 кДж энергии.

2) структурная (строительная) — из целлюлозы построены оболочки растительных клеток.

3) запасающая — полисахариды служат запасным питательным материалом.

Белки — это биологические полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Белки очень важны для жизни клетки. Они составляют 50-80 % сухого вещества животной клетки. В состав белков входит 20 различных аминокислот. Аминокислоты подразделяют на заменимые, которые могут синтезироваться в организме человека, и незаменимые (метионин, триптофан, лизин и др.). Незаменимые аминокислоты не могут синтезироваться в организме человека и должны поступать с пищей.

Аминокислота

В зависимости от свойств радикала аминокислоты делят на три группы: неполярные, полярные заряженные и полярные незаряженные.

Аминокислоты соединяются между собой связью NH-CO (ковалентная, пептидная связь). Соединения из нескольких аминокислот называют пептидами. В зависимости от их количества различают ди-, три-, олиго- или полипептиды. Обычно в состав белков входит 300-500 аминокислотных остатков, но есть и более крупные, содержащие до нескольких тысяч аминокислот. Различия белков определяются не только составом и числом аминокислот, но и последовательностью чередования их в полипептидной цепи. Уровни организации белковых молекул:

1) первичная структура — это последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Аминокислоты соединены пептидными связями. Первичная структура специфична для каждого белка и определяется аминокислотной последовательностью, закодированной в ДНК. Замена только
одной аминокислоты приводит к изменению функций белка.

2) вторичная структура — это закрученная в спираль (α — спираль) или уложенная в виде гармошки (β — слой) полипептидная цепь. Вторичная структура поддерживается водородными связями.

3) третичная структура — уложенная в пространстве спираль, образующая глобулу или фибриллу. Белок активен только в виде третичной структуры. Она поддерживается дисульфидными, водородными, гидрофобными и другими связями.

4) четвертичная структура — формируется при объединении нескольких белков, имеющих первичную, вторичную и третичную структуры. Например, белок крови гемоглобин состоит из четырех молекул белка глобина и небелковой части, которая носит название — гем.

Белки по строению бывают простые (протеины) и сложные (протеиды). Простые белки состоят только из аминокислот. Сложные имеют в своем составе кроме аминокислот другие химические соединения (например: липопротеиды, гликопротеиды, нуклеопротеиды, гемоглобин и др.).

При действии на белок различных химических веществ, высокой температуры происходит разрушение структуры белка. Этот процесс называется денатурацией. Процесс денатурации иногда обратим, то есть, может произойти самопроизвольное восстановление структуры белка -ренатурация. Ренатурация возможна, когда сохранена первичная структура белка.

Функции белков:

1.Структурная (строительная) функция — белки входят в состав всех клеточных мембран и органоидов клетки.

2. Каталитическая (ферментативная) — белки-ферменты ускоряют химические реакции в клетке.

3. Двигательная (сократительная) — белки участвуют во всех видах движений клетки. Так сокращение мышц обеспечивается сократительными белками: актином и миозином.

4. Транспортная — белки транспортируют химические вещества. Так, белок гемоглобин переносит кислород к органам и тканям.

5. Защитная — белки крови антитела (иммуноглобулины) распознают чужеродные для организма антигены и способствуют их уничтожению.

6. Энергетическая — белки являются источником энергии в клетке. При расщеплении 1 грамма белков выделяется 17,6 кДж энергии.

7. Регуляторная — белки участвуют в регуляции обмена веществ в организме (гормоны инсулин, глюкагон).

8. Рецепторная — белки лежат в основе работы рецепторов.

9. Запасающая — белки альбумины являются резервными белками организма (в яичном белке содержится овальбумин, в молоке — лактальбумин).

Дата публикования: 2014-11-19; Прочитано: 1228 | Нарушение авторского права страницы

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2018 год.(0.003 с)…

Нуклеиновые кислоты Биологическое значение

Нуклеиновые кислоты

Строение нуклеотида ДНК

Строение нуклеотида РНК

Молекула РНК представляет собой одиночную нить нуклеотидов, схожую по строению с отдельной нитью ДНК.

Состав, свойства и функции липидов в организме

Только вместо дезоксирибозы РНК включает другой углевод – рибозу (отсюда и название), а вместо тимина – урацил.

комплементарными парами.

Таким образом, принцип комплементарности

Г ≡ Ц Г ≡ Ц

Репликация репарацией .

Аденозинфосфорные кислоты — ааа

Строение молекулы АТФ:

АТФ АДФ + Ф + Е

АДФ АМФ + Ф + Е,

макроэргическими связями

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

В биологии аббревиатурой АТФ обозначают органическое вещество (мономер) аденозинтрифосфат (аденозинтрифосфорную кислоту). По химическому строению оно представляет собой нуклеозидтрифосфат. В состав АТФ входят рибоза, аденин, три остатка фосфорной кислоты .

Липиды. Что такое липиды? Классификация липидов. Обмен липидов в организме и их биологическая роль

Фосфаты последовательно связаны между собой. При этом два последних так называемой макроэргической связью, разрыв которой обеспечивает клетку большим количеством энергии. Таким образом, АТФ выполняет в клетке энергетическую функцию .

Большая часть молекул АТФ образуется в митохондриях в реакциях клеточного дыхания. В клетках постоянно идет синтез и распад большого количество молекул аденозинтрифосфорной кислоты.

Отщепление фосфатных групп в основном происходит при участии фермента АТФ-азы и является реакцией гидролиза (присоединения воды):

АТФ + H2O = АДФ + H3PO4 + E,

где E - это выделяющаяся энергия, идущая на различные клеточные процессы (синтез других органических веществ, их транспорт, движение органоидов и клетки, терморегуляцию и др.). По разным источникам количество выделяющейся энергии составляет от 30 до 60 кДж/моль.

АДФ - это аденозиндифосфат, который содержит уже два остатка фосфорной кислоты. Чаще всего к нему потом снова присоединяется фосфат с образованием АТФ:

АДФ + H3PO4 = АТФ + H2O — E.

Эта реакция идет с поглощением энергии, накопление которой происходит в результате рада ферментативных реакций и процессов переноса ионов (в основном в матриксе и на внутренней мембране митохондрий). В конечном итоге энергия аккумулируется в присоединяемой к АДФ фосфатной группе.

Однако от АДФ может отщепиться еще один фосфат, связанный макроэргической связью, при это образуется АМФ (аденозинмонофосфата). АМФ входит в состав РНК. Отсюда еще одна функция аденозинтрифосфорной кислоты – она служит источником сырья для синтеза ряда органических соединений.

Таким образом, особенности строения АТФ, функциональное использование только его в качестве источника энергии в метаболических процессах, дает возможность клеткам иметь единую и универсальную систему по приему химической энергии.

Связанная статья:Этапы энергетического обмена

В зависимости от того, какой углевод входит в состав нуклеотида, различают два типа нуклеиновых кислот:

1. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) содержит дезоксирибозу. Макромолекула ДНК состоит из 25-30 тысяч и более нуклеотидов. В состав нуклеотида ДНК входят: дезоксирибоза, остатки фосфорной кислоты (H3PO4), одно из четырех азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин, тимин).

2. Рибонуклеиновая кислота (РНК) содержит рибозу. Макромолекула РНК состоит из 5-6 тысяч нуклеотидов. В состав нуклеотида РНК входят: рибоза, остатки фосфорной кислоты, одно из четырех азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин, урацил).

Мономер ДНК и РНК состоит из четырех типов нуклеотидов, которые друг от друга отличаются только азотистым основанием. Нуклеотиды связаны в полимерной цепи. Основную полимерную цепь образуют углевод и фосфорная кислота. Пуриновые и пиримидиновые основания не входят в полимерную цепь. Причем мононуклеотиды связаны друг с другом с помощью диэфирных мостиков: между OH- углевода в положении С3 одного нуклеотида и OH- углевода в положении С5 соседнего нуклеотида.

Для нуклеиновых кислот характерна первичная и вторичная структура. Биологическую функцию нуклеиновых кислот в организме определяет первичная структура, т. е. последовательность чередования входящих в них четырех типов нуклеотидов.

Вторичную структуру нуклеиновых кислот рассмотрим на примере ДНК.

Липиды. Углеводы. Белки

Макромолекулы ДНК представляют собой двойную спираль, состоящую из двух полинуклеотидных цепей. Остатки фосфорной кислоты и дезоксирибозы каждой полинуклеотидной цепи расположены на поверхности внешней части спирали, а азотистые соединения внутри. Азотистые основания двух цепей связаны водородными связями и они поддерживают вторичную структуру. Водородная связь образуется между аденином и тимином, между гуанином и цитозином.

Биологическая роль нуклеиновых кислот. Они осуществляют хранение и передачу наследственной информации, а также определяют синтез нужных белков в клетке и его регуляцию. Так ДНК из ядра клетки посылает своих исполнителей РНК, снабдив их необходимой информацией в цитоплазму - место синтеза белков.

АТФ (аденозинтрифосфат) - это нуклеотид, состоящий из углевода (рибозы), трех молекул фосфорной кислоты и аденина. При гидролизе химической связи между второй и третьей фосфатными группами АТФ освобождается запас энергии. При этом выделяется энергия и АТФ превращается в аденозиндифосфат (АДФ).

Если в клетке необходимо создать запас энергии, то протекает обратный процесс присоединения фосфатной группы и превращения АДФ в АТФ. Таким образом АТФ способен хранить запас энергии и освобождать ее. Поэтому АТФ широко применяется в медицине как лекарственный препарат, стимулирующий обменные процессы в миокарде, способствующий лучшему усвоению кислорода.

Дата публикования: 2015-02-18; Прочитано: 2279 | Нарушение авторского права страницы

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2018 год.(0.001 с)…

Нуклеиновые кислоты. АТФ

Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus – ядро) – кислоты, впервые обнаруженные при исследовании ядер лейкоцитов; были открыты в 1868 г. И.Ф. Мишером, швейцарским биохимиком. Биологическое значение нуклеиновых кислот — хранение и передача наследственной информации; они необходимы для поддержания жизни и для ее воспроизведения.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеотид ДНК и нуклеотид РНК имеют черты сходства и различия.

Строение нуклеотида ДНК

Строение нуклеотида РНК

Молекула ДНК – двойная цепь, закрученная по спирали.

Молекула РНК представляет собой одиночную нить нуклеотидов, схожую по строению с отдельной нитью ДНК. Только вместо дезоксирибозы РНК включает другой углевод – рибозу (отсюда и название), а вместо тимина – урацил.

Две нити ДНК соединены друг с другом водородными связями. При этом наблюдается важная закономерность: напротив азотистого основания аденин А в одной цепи располагается азотистое основание тимин Т в другой цепи, а против гуанина Г всегда расположен цитозин Ц. Эти пары оснований называют комплементарными парами.

Таким образом, принцип комплементарности (от лат. complementum – дополнение) состоит в том, что каждому азотистому основанию, входящему в нуклеотид, соответствует другое азотистое основание. Возникают строго определенные пары оснований (А – Т, Г – Ц), эти пары специфичны. Между гуанином и цитозином – три водородные связи, а между аденином и тимином возникают две водородные связи в нуклеотиде ДНК, а в РНК две водородные связи возникают между аденином и урацилом.

Водородные связи между азотистыми основаниями нуклеотидов

Г ≡ Ц Г ≡ Ц

В результате у всякого организма число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых - числу цитидиловых. Благодаря этому свойству последовательность нуклеотидов в одной цепи определяет их последовательность в другой. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов называется комплементарностью, и это свойство лежит в основе образования новых молекул ДНК на базе исходной молекулы (репликации, т. е. удвоения).

Таким образом, количественное содержание азотистых оснований в ДНК подчинено некоторым правилам:

1) Сумма аденина и гуанина равна сумме цитозина и тимина А + Г = Ц + Т.

2) Сумма аденина и цитозина равна сумме гуанина и тимина А + Ц = Г + Т.

3) Количество аденина равно количеству тимина, количество гуанина равно количеству цитозина А = Т; Г = Ц.

При изменении условий ДНК, подобно белкам, может подвергаться денатурации, которая называется плавлением.

ДНК обладает уникальными свойствами: способностью к самоудвоению (репликация, редупликация) и способностью к самовосстановлению (репарация). Репликация обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была записана в материнской молекуле. Но в процессе репликации иногда возникают ошибки. Способность молекулы ДНК исправлять ошибки, возникающие в ее цепях, то есть восстанавливать правильную последовательность нуклеотидов, называется репарацией .

Молекулы ДНК находятся в основном в ядрах клеток и в небольшом количестве в митохондриях и пластидах – хлоропластах. Молекулы ДНК – носители наследственной информации.

Строение, функции и локализация в клетке. Различают три вида РНК. Названия связаны с выполняемыми функциями:

РНК	Месторасположение в клетке	Функции
Рибосомная РНК (рРНК) – самые крупные РНК, состоящие из 3 — 5 тысяч нуклеотидов.	Рибосомы	Структурная (рРНК вместе с белковой молекулой образует рибосому)
Транспортная РНК (тРНК) – самые маленькие РНК, состоящие из 80 – 100 нуклеотидов. Органические вещества — углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты, АТФ	Цитоплазма	Перенос аминокислот в рибосомы – месту синтеза белка, узнавание кодона на иРНК
Информационная, или матричная РНК (иРНК) – РНК, состоящие из 300 — 3000 нуклеотидов.	Ядро, цитоплазма	Перенос генетической информации от ДНК к месту синтеза белка -рибосомам, является матрицей для строящейся белковой молекулы (полипептида)

Сравнительная характеристика нуклеиновых кислот

Аденозинфосфорные кислоты — аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), аденозиндифосфорная кислота (АДФ), аденозинмонофосфорная кислота (АМФ).

В цитоплазме каждой клетки, а также в митохондриях, хлоропластах и ядрах содержится аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Она поставляет энергию для большинства реакций, происходящих в клетке. С помощью АТФ клетка синтезирует новые молекулы белков, углеводов, жиров, осуществляет активный транспорт веществ, биение жгутиков и ресничек.

АТФпо строению сходна с адениновым нуклеотидом, входящим в состав РНК, только вместо одной фосфорной кислоты в состав АТФ входят три остатка фосфорной кислоты.

Строение молекулы АТФ:

Неустойчивые химические связи, которыми соединены молекулы фосфорной кислоты в АТФ, очень богаты энергией. При разрыве этих связей выделяется энергия, которая используется каждой клеткой для обеспечения процессов жизнедеятельности:

АТФ АДФ + Ф + Е

АДФ АМФ + Ф + Е,

где Ф – фосфорная кислота Н3РО4, Е – освобождающаяся энергия.

Химические связи в АТФ между остатками фосфорной кислоты, богатые энергией, называются макроэргическими связями . Отщепление одной молекулы фосфорной кислоты сопровождается выделением энергии – 40 кДж.

АТФ образуется из АДФ и неорганического фосфата за счет энергии, освобождающейся при окислении органических веществ и в процессе фотосинтеза. Этот процесс называется фосфорилированием.

При этом должно быть затрачено не менее 40 кДж/моль энергии, которая аккумулируется в макроэргических связях. Следовательно, основное значение процессов дыхания и фотосинтеза определяется тем, что они поставляют энергию для синтеза АТФ, с участием которой в клетке выполняется большая часть работы.

АТФ чрезвычайно быстро обновляется. У человека, например, каждая молекула АТФ расщепляется и вновь восстанавливается 2 400 раз в сутки, так что ее средняя продолжительность жизни менее 1 мин. Синтез АТФ осуществляется главным образом в митохондриях и хлоропластах (частично в цитоплазме). Образовавшаяся здесь АТФ направляется в те участки клетки, где возникает потребность в энергии.

АТФ играет важную роль в биоэнергетике клетки: выполняет одну из важнейших функций – накопителя энергии, это универсальный биологический аккумулятор энергии.

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

Моносахариды (простые сахара) состоят из одной молекулы, содержащей от 3 до 6 атомов углерода. Дисахариды - соединения, образованные из двух моносахаридов. Полисахариды являются высокомолекулярными веществами, состоящими из большого числа (от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч) моносахаридов.

Разнообразные углеводы в больших количествах содержатся в организмах. Их основные функции:

1. Энергетическая: именно углеводы служат основным источником энергии для организма. Среди моносахаридов это фруктоза, широко встречающаяся в растениях (прежде всего в плодах), и особенно глюкоза (при расщеплении одного ее грамма выделяется 17,6 кДж энергии). Глюкоза содержится в плодах и других частях растений, в крови, лимфе, тканях животных. Из дисахаридов необходимо выделить сахарозу (тростниковый или свекловичный сахар), состоящую из глюкозы и фруктозы, и лактозу (молочный сахар), образованную соединением глюкозы и галактозы. Сахароза содержится в растениях (в основном в плодах), а лактоза - в молоке. Они играют важнейшую роль в питании животных и человека. Большое значение в энергетических процессах имеют такие полисахариды, как крахмал и гликоген, мономером которых выступает глюкоза. Они представляют собой резервные вещества растений и животных соответственно. При наличии в организме большого количества глюкозы она используется для синтеза этих веществ, которые накапливаются в клетках тканей и органов. Так, крахмал в больших количествах содержится в плодах, семенах, клубнях картофеля; гликоген - в печени, мышцах. По мере необходимости данные вещества расщепляются, поставляя глюкозу в различные органы и ткани организма.
2. Структурная: например, такие моносахариды, как дезоксирибоза и рибоза, участвуют в формировании нуклеотидов. Различные углеводы входят в состав клеточных стенок (целлюлоза у растений, хитин у грибов).

Липиды (жиры) - органические вещества, нерастворимые в воде (гидрофобные), но хорошо растворяющиеся в органических растворителях (хлороформе, бензине и др.). Их молекула состоит из глицерина и жирных кислот. Разнообразие последних и обусловливает многообразие липидов. В мембранах клеток широко встречаются фосфолипиды (содержащие, кроме жирных, остаток фосфорной кислоты) и гликолипиды (соединения липидов и сахаридов).

Функции липидов - структурная, энергетическая и защитная.

Структурной основой клеточной мембраны выступает бимолекулярный (образованный из двух слоев молекул) слой липидов, в который встроены молекулы разнообразных белков.

При расщеплении жиров выделяется 38,9 кДж энергии, что примерно вдвое больше, чем при расщеплении углеводов или белков. Жиры могут накапливаться в клетках разных тканей и органов (печени, подкожной клетчатке у животных, семенах у растений), в больших количествах образуя значительный запас «топлива» в организме.

Обладая плохой теплопроводностью, жиры играют важную роль в защите от переохлаждения (например, слои подкожного жира у китов и ластоногих).

АТФ (аденозинтрифосфат). Он служит в клетках универсальным энергоносителем.

Справочник химика 21

Энергия, выделяющаяся при расщеплении органических веществ (жиры, углеводы, белки и т. д.), не может использоваться непосредственно для выполнения какой-либо работы, а запасается первоначально в форме АТФ.

Аденозинтрифосфат состоит из азотистого основания аденина, рибозы и трех молекул (а точнее, остатков) фосфорной кислоты (рис. 1).

Рис. 1. Состав молекулы АТФ

При отщеплении одного остатка фосфорной кислоты образуется АДФ (аденозиндифосфат) и высвобождается около 30 кДж энергии, которая расходуется на выполнение какой-либо работы в клетке (например, сокращение мышечной клетки, процессы синтеза органических веществ и т. д.):

Так как запас АТФ в клетке ограничен, он постоянно восстанавливается за счет энергии, выделяющейся при расщеплении других органических веществ; восстановление АТФ происходит путем присоединения молекулы фосфорной кислоты к АДФ:

Таким образом, в биологическом преобразовании энергии можно выделить два основных этапа:

1) синтез АТФ - запасание энергии в клетке;

2)высвобождение запасенной энергии (в процессе расщепления АТФ) для совершения работы в клетке.

Краснодембский Е. Г."Общая биология: Пособие для старшеклассников и поступающих в вузы"

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»