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.