Биология. Биологические системы и процессы. 10 класс - Теремов А.В.

§7. Нуклеиновые кислоты. АТФ

Вспомните, какие органические вещества участвуют в реализации генетической информации в клетке. Какие виды нуклеиновых кислот вам известны? Что такое АТФ? Какие функции выполняет АТФ в клетке?

Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus - ядро) - самые крупные из молекул, которые встречаются в клетках. С ними связаны основные свойства живого - самовоспроизведение и передача наследственной информации. Различают два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и рибонуклеиновую кислоту (РНК).

Состав нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты - это полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды (рис. 25). Нуклеотид состоит из остатка фосфорной кислоты, углевода и азотистого основания.

Рис. 25. Соединение нуклеотидов и образование полинуклеотида

Таблица 6

Состав нуклеиновых кислот

Состав нуклеотида

днк

РНК

Фосфорная кислота

н3ро4

Н3Р04

Углевод

дезоксирибоза

рибоза

Азотистые основания

аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г), цитозин (Ц)

аденин (А), урацил (У), гуанин (Г), цитозин (Ц)

Молекулы ДНК и РНК отличаются по составу нуклеотидов (табл. 6).

В нуклеотиде углевод соединен с одной стороны с фосфорной кислотой, а с другой - азотистым основанием. Строение азотистых оснований таково, что они попарно способны образовывать водородные связи, причем аденин соединяется с тимином или урацилом, а гуанин с цитозином (рис. 26). Парные азотистые основания называют комплементарными. Между аденином и тимином (или урацилом) образуются две связи, а между цитозином и гуанином - три:

А = Т, А = У, Г = Ц

Рис. 26. Соединение комплементарных азотистых оснований: 1 — остовы цепей молекулы нуклеиновой кислоты; 2 — водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями

По содержанию азотистого основания определяют вид и дается название нуклеотида: адениловый (А), гуаниловый (Г), цитидиловый (Ц), тимидиловый (Т), уридиловый (У). Нуклеотиды соединяются друг с другом через остатки фосфорной кислоты и углевода, образуя длинные полинуклеотидные цепи, или полинуклеотиды. Число нуклеотидов в цепи может достигать 30000 и более. Содержание нуклеиновых кислот составляет 1-2% от массы клетки. Первичная структура нуклеиновой кислоты определяется последовательностью чередования четырех типов нуклеотидов. От нее зависит наследственная информация организма.

Строение и функции ДНК. В составе молекулы ДНК имеется определенная закономерность в соотношении азотистых оснований. Сумма аденина и гуанина равна сумме тимина и цитозина, число аденина всегда соответствует числу тимина, а число гуанина - числу цитозина:

nА = nТ, mТ = тmЦ, nА + mТ = nТ + mЦ

Эта особенность позволила двум английским ученым Джеймсу Уотсону и Френсису Крику в 1953 г. установить структуру молекулы ДНК, которая представляет собой двойную спираль (рис. 27, 28). Две цепи в молекуле ДНК как бы свиты вместе и закручены вправо вокруг центральной оси. Они удерживаются друг с другом благодаря водородным связям, которые возникают между комплементарными азотистыми основаниями.

Молекулы ДНК в клетках сосредоточены, главным образом, в ядре. Они образуют нити хроматина, а перед делением клетки, соединяясь с белками и спирализуясь, превращаются в хромосомы. Кроме того, специфические ДНК имеются в митохондриях и хлоропластах. В клетке молекулы ДНК выполняют исключительно важную функцию - хранение и передачу наследственной информации. В них закодирована информация о первичной структуре белков. Они являются основой (матрицей) для синтеза всех видов РНК, а также для новых молекул ДНК перед делением клетки. Число молекул ДНК и их нуклеотидная последовательность - генетический признак вида и организма.

Кроме клеточных ДНК имеются и вирусные ДНК, которые обеспечивают хранение и передачу наследственной информации вирусов.

Рис. 27. Двойная спираль молекулы ДНК: 1 - фрагмент двойной цепи; 2 — вторичная структура

Рис. 28. Строение молекулы ДНК (модель)

Строение, виды и функции РНК. Молекулы РНК, в отличие от ДНК, состоят из одной полинуклеотидной цепи, в которой имеются прямые и спиральные участки, петли. Соединение отдельных участков друг с другом происходит также с помощью водородных связей между комплементарными основаниями. В клетке встречаются три вида РНК, которые находятся в ядре, цитоплазме, хлоропластах, митохондриях, рибосомах. У них разная молекулярная масса, конфигурация молекул и выполняемые функции.

Рис. 29. Структура транспортной РНК: 1 — модель; 2 — схема

Информационная, или матричная, РНК (иРНК, или мРНК) переносит информацию о структуре белка от ДНК на рибосомы. Ее еще называют РНК-посредником. Из клеточных РНК она наиболее высокомолекулярна. Каждая молекула иРНК содержит полную информацию, необходимую для синтеза одной молекулы белка.

Транспортные РНК (тРНК) - самые короткие полинуклеотиды, состоящие всего из 70-80 нуклеотидов. Они растворимы в воде. Все транспортные РНК имеют сходную структуру, которую принято называть «клеверным листом» (рис. 29). Они присоединяют, кодируют и транспортируют аминокислоты к месту синтеза белка на рибосомы.

Рибосомальные РНК (рРНК) входят в состав рибосом. Они образуют более 80% всей массы РНК в клетке. Синтезируются рРНК на участках ДНК хромосом, расположенных в ядрышковом центре ядра.

Помимо клеточных РНК существуют вирусные РНК - самые высокомолекулярные из всех видов РНК. Они несут информацию о структуре вирусов, т.е. являются их генетическим аппаратом.

АТФ. В клетке находятся мононуклеотиды, имеющие тот же состав и строение, что и нуклеотиды, входящие в состав ДНК и РНК. Наиболее важный из них - аденозинтрифосфат (АТФ). Молекула АТФ состоит из рибозы, аденина и трех остатков фосфорной кислоты, между которыми имеются две макроэргические (высокоэнергетические) связи (рис. 30). Энергия простой связи составляет около 13 кДж/моль, а макроэргической - 30,6 кДж/моль. Поэтому при расщеплении (гидролизе) молекулы АТФ выделяется энергии в два с половиной раза больше, чем при расщеплении многих других соединений:

Рис. 30. Строение молекулы АТФ и ее роль в превращении энергии в клетке (макроэргические связи обозначены знаком со).

Энергия в АТФ запасается в результате реакций распада и окисления органических веществ, а также при фотосинтезе. При этом одновременно происходит синтез молекул АТФ из АДФ или АМФ. Синтез АТФ происходит в митохондриях, хлоропластах, а также в цитоплазме. Клетка использует запасенную в молекулах энергию в различных процессах: биосинтезе собственных органических веществ, при движении, передаче нервных импульсов, в процессе деления и др. АТФ служит ключевым веществом обменных процессов в клетке и универсальным источником энергии, ее содержание в клетке составляет менее 1%.

Нуклеиновые кислоты: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК),рибонуклеиновая кислота (РНК); нуклеотид, полинуклеотидная цепь (полинуклеотид); комплементарность; функция ДНК - хранение и передача наследственной информации; виды РНК; информационная, транспортная, рибосомальная, вирусная; аденозинтрифосфат (АТФ), макроэргическая связь.

1. Что такое нуклеотид? Из чего он состоит? 2. В чем особенность первичной структуры молекул нуклеиновых кислот? 3. Одна цепь молекулы ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ААЦГТЦАТГТЦ. Составьте нуклеотидную последовательность второй цепи. 4. Какие функции выполняет ДНК в клетке? 5.Чем различаются молекулы РНК и ДНК? 6. Какие виды РНК вам известны? Какие функции они выполняют в клетке? 7. Почему молекулы АТФ называют главным энергетическим веществом клетки? 8. Закончите заполнять таблицу «Химический состав клетки». Внесите в нее сведения о нуклеиновых кислотах и АТФ.