Биологические полимеры – нуклеиновые кислоты

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

Нуклеиновые кислоты - это ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Они были открыты в 1869 году Ф. Мишером в ядрах лейкоцитов и названы нуклеиновыми, т.к. ядро - нуклеус (nucleus).

ДНК

Биополимер, мономером которого является нуклеотид. ДНК – полинуклеотид с очень большой молекулярной массой. В одну молекулу могут входить 10⁸ и более нуклеотидов. В состав нуклеотида входит пятиатомный сахар дезоксирибоза, остаток фосфорной кислоты и одно азотистое основание. Азотистых оснований всего четыре - это аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). Таким образом, нуклеотидов всего четыре: адениновый, гуаниновый, цитозиновый и тиминовый (рис. 10).

Рис. 10. Схема строения ДНК Рис. 11. Строение участка молекулы ДНК

 

Порядок чередования нуклеотидов в ДНК у разных организмов разный.

В 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик построили пространственную модель ДНК. Этому открытию способствовали два экспериментальных достижения:

1) Чаргафф получил чистые образцы ДНК исделал анализ относительно числа оснований в каждом образце. Оказалось, что из какого бы организма не была выделена ДНК количество аденина равно количеству тимина (А = Т), а количество гуанина равно количеству цитозина (Г = Ц);

2) Уилкинс и Фрэнклин при помощи рентгенограммы получили хороший снимок ДНК (рис. 12).

Молекула ДНК состоит из двух соединенных друг с другом цепей и походит на веревочную лестницу (рис. 11). Боковые стороны лестницы закручены наподобие электрических проводов. Боковые стороны - это чередующийся сахар и фосфорная кислота. Перекладинами этой лестницы являются азотистые основания, соединенные по принципу комплементарности (А = Т; Г = Ц). Между аденином и тимином двойная водородная связь, гуанином и цитозином тройная.

Рис. 13 Строение нуклеотида

Ширина двойной спирали - 1,7 нм, в один виток входит по 10 пар оснований, длина витка – 3,4 нм, между нуклеотидами расстояние = 0,34нм. При соединении с определенными белками – гистонами – степень спирализации молекулы повышается. Молекула утолщается и укорачивается. В дальнейшем спирализация достигает максимума, возникает спираль еще более высокого уровня – суперспираль. При этом молекула становится различима в световой микроскоп как вытянутое, хорошо окрашиваемое тельце – хромосома.

Синтез ДHK

ДНК входит в состав хромосом (комплекс ДНК с белком гистоном составляет 90 % хромосомы. Встает вопрос, почему после деления клетки количество хромосом не уменьшается, а остается таким же. Потому что перед делением клетки, происходит удвоение (синтез) ДНК, а, следовательно, и удвоение хромосом. Под воздействием фермента нуклеазы происходит разрыв водородных связей между азотистыми основаниями на определенном участке ДНК и двойная цепочка ДНК начинает раскручиваться, одна цепь отходит от другой. Из свободных нуклеотидов, которые находятся в ядре клетки под действием фермента ДНК-полимеразы строятся комплементарные нити. Каждая из разделившихся парных нитей молекулы ДНК служат матрицей для образования около неё другой комплементарной её нити. Затем каждая прежняя (материнская) и новая (дочерняя) нити вновь закручиваются в виде спирали. В результате образуются две новые совершенно одинаковые двойные спирали (рис. 14).

Способность к воспроизведению является очень важной особенностью молекулы ДНК.

 

 

Рис. 14. «Материнская» ДНК служит матрицей для синтеза комплементарных цепей

 

Функция ДНК в клетке

Дезоксирибонуклеиновая кислота выполняет чрезвычайно важные функции, необходимые как для поддержания, так и воспроизведения жизни.

Во – первых, - это хранение наследственной информации, которая заключена в последовательности нуклеотидов одной из ее цепей. Наименьшей единицей генетической информации после нуклеотида являются три последовательно расположенных нуклеотида – триплет. Последовательность триплетов в полинуклеотидной цепи определяет последовательность аминокислот в белковой молекуле. Расположенные друг за другом триплеты, обусловливающие структуру одной полипептидной цепи, представляют собой ген.

Вторая функция ДНК – передача наследственной информации из поколения в поколение. Она осуществляется благодаря редупликации (удвоения) материнской молекулы и последующего распределения дочерних молекул между клетками – потомками. Именно двухцепочечная структура молекул ДНК определяет возможность образования абсолютно идентичных дочерних молекул при редупликации.

Наконец, ДНК участвует в качестве матрицы в процессе передачи генетической информации из ядра в цитоплазму к месту синтеза белка. При этом на одной из ее цепей по принципу комплементарности из нуклеотидов окружающей молекулу среды синтезируется молекула информационной РНК.

РНК

РНК – так же, как ДНК представляет собой биополимер (полинуклеотид), мономерами которого являются нуклеотиды (рис. 15). Азотистые основания трех нуклеотидов те же самые, что входят в состав ДНК (аденин, гуанин, цитозин), четвертое – урацил – присутствует в молекуле РНК вместо тимина. Нуклеотиды РНК содержат другую пентозу – рибозу (вместо дезоксирибозы). По структуре различают двухцепочечные и одноцепочечные РНК. Двухцепочечные РНК являются хранителями генетической информации у ряда вирусов, т.е. выполняют у них функции хромосом.

РНК переносят информацию о последовательности аминокислот в белках, т.е. о структуре белков, от хромосом к месту их синтеза, и участвуют в синтезе белков.

Существует несколько видов одноцепочечных РНК. Их названия обусловлены выполняемой функцией и местонахождением в клетке. Все виды РНК синтезируются на ДНК, которая служит матрицей.

1. Транспортная РНК (т-РНК) Самая маленькая, в состав входит 76 - 85 нуклеотидов. Имеет вид клеверного листочка, на длинном конце которого находится триплет нуклеотидов (АЦЦ), куда присоединяются активированная аминокислота.На коротком конце находится азотистое основание - гуанин, он не дает разрушаться т-РНК. На противоположном конце находится антикодон, который строго комплементарен генетическому коду на информационной РНК. Основная функция т-РНК – это перенос аминокислот к месту синтезабелка. Из общего содержания РНК в клетке на долю т-РНК приходится 10 %.

2. Рибосомальная РНК (р-РНК) содержаться в рибосомах, состоят от 3 - 5 тыс. нуклеотидов. Из общего содержания РНК в клетке на долю р-РНК приходится 90 %.

3. Информационная (и-РНК) или матричная (м-РНК)_. Содержится в ядре и в цитоплазме, молекулы информационной РНК могут состоять из 300 – 30000 нуклеотидов. Функция её состоит в переносе информации о первичной структуре белка в рибосомы. На долю и-РНК приходится 0,5 - 1 % от общего содержания РНК клетки.

Генетический код

 

Генетический код - это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в ДНК (рис.16).

Рис.16 Генетический код

 

Свойства генетического кода

1. Код триплетен. Это означает, что каждая из аминокислот зашифрована последовательностью трех нуклеотидов, называемых триплетом или кодоном. Так, аминокислоте цистеину соответствует триплет АЦА, валину – ЦАА, лизину – ТТТ (рис.).

2 Код вырожден. Всего генетических кодов 64, в то время как кодируется 20 аминокислот, когда они идут на и-РНК синтез белка прекращается. Каждая аминокислота шифруется несколькими генетическими кодами, исключение составляют метионин и триптофан. Эта избыточность кода имеет большое значение для повышения надежности передачи генетической информации. Например, аминокислоте аргинину могут соответствовать триплеты ГЦА, ГЦТ, ГЦЦ и т.д. Понятно, что случайная замена третьего нуклеотида в этих триплетах никак не отразиться на структуре синтезируемого белка.

3. Код универсален. Генетический код один для всех живущих на Земле существ (для человека, животных, растений, бактерий и грибов).

4. Генетический код непрерывный. Нуклеотиды в ДНК не наползают друг на друга, между триплетами (кодонами) отсутствуют пробелы и знаки препинания. Каким же образом участок молекулы ДНК, несущей информацию о структуре одного белка, отграничивается от других участков? Существуют триплеты, функцией которых является запуск синтеза полинуклеотидной цепочки, и триплеты (УАА, УАГ, УГА), которые прекращают синтез.

5. Генетический код специфичный. Нет случаев, когда один и тот жетриплет соответствовал бы более чем одной аминокислоте.

Биосинтез белка в клетке

Биосинтез белков в клетке состоит из двух этапов:

1. Транскрипция.

2. Трансляция.

1. Транскрипция - это переписывание информации о первичной структуре белка с определенного участка ДНК (гена) на и-РНК по принципу комплементарности при помощи фермента РНК - полимеразы.

Считываниенаследственной информации начинается с определенного участка ДНК, который называется промотор. Он располагается перед геном и включает около 80 нуклеотидов. Фермент РНК - полимераза узнает промотор, прочно с ним связывается и расплавляет его, разъединяя, нуклеотиды комплементарных цепей ДНК, затем этот фермент начинает

двигаться вдоль гена и по мере разъединения цепей ДНК на одной из них, которая называется смысловой, синтезируется и-РНК. Готовая и-РНК через поры ядерной оболочки выходит в цитоплазму и пронизывает малую субъединицу рибосомы, а те участки гена, на которых полимераза образовала и-РНК, вновь закручиваются в спираль, и-РНК может пронизывать сразу несколько рибосом и этот комплекс называется полисома. В цитоплазме аминокислоты активизируются ферментом аминоацил-т-синтетаза и присоединяются к длинному концу т-РНК (рис.17). 2. Трансляция - это перевод наследственной информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот.

Трансляция начинается со стартового кодона АУГ, к которому своим антикодоном УАЦ присоединяется нагруженная метионином т-РНК. В большой субъединице рибосомы имеется аминоацильный и пептидильный центры. Сначала I аминокислота (метионин) попадает в аминоацильный центр, а затем вместе со своей т-РНК перемешается в пептидильный центр. Аминоацильный центр освобождается и может принять следующую т-РНК со своей аминокислотой. Вторая т-РНК, нагруженная 2-ой аминокислотой, поступает в большую субъединицу рибосомы и своим антикодоном соединяется с комплементарным кодоном и-РНК. Сразу же при помощи фермента пептидил - трансферазы предшествующая аминокислота своей карбоксильной группой (СООН) соединяется с аминогруппой (NH₂) вновь пришедшей аминокислоты. Между ними образуется пептидная связь (-CO-NH-). В результате т-РНК, принесшая метионин, освобождается, а в аминоацильном центре к т-РНК присоединяются две аминокислоты (дипептид). Для дальнейшего процесса роста полипептидной цепи требуется освободить аминоацильный центр. Большая и малая субъединица рибосомы прокручивается относительно друг друга (по типу завода часов) триплет нуклеотидов на и-РНК продвигается вперед, на его место становится следующий триплет нуклеотидов. В освободившийся аминоацильный центр следующая т-РНК приносит в соответствии с кодономи и-РНК аминокислоту, которая при помощи пептидной связи соединяется с предыдущей, а вторая т-РНК уходит из рибосомы. Далее рибосома снова продвигается на один кодон и процесс повторяется. Происходит последовательное присоединение аминокислот к полипептидной цепи в строгом соответствии с последовательностью колонов на и-РНК.

Когда на рибосоме оказывается один из триплетов (УАА, УАГ, УГА) ни одна т-РНК не может занять место в аминоацильном центре, т.е. не существует антикодонов комплементарных этим генетическим кодам, поэтому синтез белков завершается. Синтезированные из аминокислот полипептидные цепи в дальнейшем поступают в комплекс Гольджи, где возникают вторичная, третичная, четвертичная структуры белка. Здесь же формируются комплексы белковых молекул с углеводами и жирами. Весь процесс биосинтеза белка представляется в виде схемы: ДНК - и - РНК - полипептидная цепь - белок - комплекс белков с другими веществами (рис. 18).

Вопросы для повторения:

1.Из каких простых органических соединений состоят белки?

2.Что такое пептиды?

3.Что такое первичная структура белка?

4.Как образуется вторичная, третичная структуры белка?

5.Что такое денатурация белка?

6. Какие функции белков известны?

7.Какие химические соединения называются углеводами?

8.Какие клетки наиболее богаты углеводами?

9.Что такое моносахариды? Приведите примеры.

10.Что такое дисахариды? Приведите примеры.

11.Какой простой углевод служит мономером крахмала, гликогена, целлюлозы?

12.Укажите функции углеводов?

13.Что такое жиры?

14.Опишите их химический состав.

15.Какие функции выполняют жиры?

16.В каких клетках и тканях наиболее велико количество жиров?

17.Что такое нуклеиновые кислоты?

18.Какие простые органические соединения служат элементарной составной частью нуклеиновых кислот?

19.Какие типы нуклеиновых кислот известны?

20.Чем отличается строение молекулы ДНК и РНК?

21.Назовите функции ДНК.

22.Какие виды РНК имеются в клетке?

23.Охарактеризуйте свойства генетического кода.

24.Опишите синтез белка.

 

ГЛАВА III