Нуклеиновые кислоты, их строение, свойства и функции

Подобно белкам, нуклеиновые кислоты — биополимеры, а их функция заключается в хранении, реализации и передаче генетической (наследственной) информации в живых организмах.

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.

Компоненты нуклеотидов ДНК и РНК

 

Нуклеиновая кислота	Пятиуглеродный сахар	Азотистые основания		Остаток фосфорной кислоты
1.ДНК	1.Дезоксирибоза	1.Аденин,1 гуанин, 1цитозин, 1тимин		1Остаток фосфорной кислоты
2РНК	2Рибоза	2Аденин, 2гуанин, 2цитозин,2 урацил	2Остаток фосфорной кислоты

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. 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 (рис. 2). 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 поколениям.

Молекулы РНК, как правило, одноцепочечные (в отличие от ДНК) и содержат значительно меньшее число нуклеотидов. Выделяют три вида РНК (табл. 2), различающиеся по величине молекул и выполняемым функциям, — информационную (иРНК), рибосомальную (рРНК) и транспортную (тРНК).

Информационная РНК (и-РНК) располагается в ядре и цитоплазме клетки, имеет самую длинную полинуклеотидную цепь среди РНК и выполняет функцию переноса наследственной информации из ядра в цитоплазму клетки.

Транспортная РНК (т-РНК) также содержится в ядре и цитоплазме клет-ки, ее цепь имеет наиболее сложную структуру, а также является самой короткой (75 нуклеотидов). Т-РНК доставляет аминокислоты к рибосомам в процессе трансляции — биосинтеза белка.

Рибосомальная РНК (р-РНК) содержится в ядрышке и рибосомах клетки, имеет цепь средней длины. Все виды РНК образуются в процессе транскрипции соответствующих генов ДНК.

9

В растительной клетке есть ядро и все органоиды, свойственные в животной клетке: эндоплазматическая сеть, рибосомы, митохондрии, аппарат Гольджи. Вместе с тем она отличается от животной клетки следующими особенностями строения: 1) прочной клеточной стенкой значительной толщины; 2) особыми органоидами — пластидами, в которых происходит первичный синтез органических веществ из минеральных за счет энергии света — фотосинтез; 3) paзвитой системой вакуолей, в значительной мере обусловливающих осмотические свойства клеток. Растительная клетка, как и животная, окружена цитоплазматической мембраной, но, кроме нее, ограничена толстой состоящей из целлюлозы клеточной стенкой. Наличие клеточной стенки — специфическая Особенность растений. Она определила малую подвижность растений. Вследствие этого питание и дыхание организма стали зависеть от поверхности тела, контактирующей с окружающей средой, что привело в процессе эволюции к большей расчлененности тела, гораздо более выраженной, чем у животных. Клеточная стенка имеет поры, через которые каналы эндоплаэматической сети соседних клеток сообщаются друг с другом. Преобладание синтетических процессов над процессами освобождения энергии — одна из наиболее характерных особенностей обмена веществ растительных организмов. Первичный синтез углеводов из неорганических веществ осуществляется в пластидах. Различают три вида пластид: 1) лейкопласты — бесцветные пластиды, в которых из моносахаридов и дисахаридов синтезируется крахмал (есть лейкопласты, запасающие белки или жиры); 2) хлоропласты — зеленые пластиды, содержащие пигмент хлорофилл, где осуществляется фотосинтез — процесс образования органических молекул из неорганических за счет энергии света, 8) хромопласты, включающие различные пигменты из группы каротиноидов, обусловливающих яркую окраску цветков и плодов. Пластиды могут превращаться друг в друга. Они содержат ДНК и РНК, и увеличение их количества осуществляется делением надвое. Вакуоли окружены мембраной и рецэвиваются из эндоплазматичеокой сети. Вакуоли содержат в растворенном виде белки, углеводы, низкомолекулярные продукты синтеза, витамины, различные соли. Осмотическое давление, создаваемое растворенными в вакуолярном соке веществами, приводит к тому, что в клетку поступает вода, которая обусловливает тургор — напряженное состояние клеточной стенки. Толстые упругие стенки обеспечивают прочность растений к статическим и динамическим нагрузкам.

Все три основные группы организмов - животные, растения и грибы - являются эукариотами . Однако строение их клеток неодинаково. Эти различия наряду с особенностями питания легли в основу деления надцарства эукариот на три царства.

Животная клетка не имеет плотной клеточной стенки. В ней отсутствуют вакуоли , характерные для растений и некоторых грибов. В качестве резервного энергетического вещества обычно накапливается полисахарид гликоген . Большинство клеток растений и грибов, подобно клеткам прокариот , окружено твердой клеточной оболочкой, или стенкой. Однако химический их состав различен. В то время как основой стенки растительной клетки является полисахарид целлюлоза , грибная клетка окружена стенкой, в значительной части состоящей из азотсодержащего полимера хитина.

Клетки растений всегда содержат пластиды , в то время как у животных и грибов пластид нет. Резервным веществом у большинства растений служит полисахарид крахмал , а у основной массы грибов, как и у животных, - гликоген.

10. Органеллы — постоянные внутриклеточные структуры, имеющие определенное строение и выполняющие соответствующие функции. Органеллы делятся на две группы: мембранные и немембранные. Мембранные органеллы представлены двумя вариантами: двумембранным и одномембранным. Двумембранными компонентами являются пластиды, митохондрии и клеточное ядро. К одномембранным относятся органеллы вакуолярной системы — эндоплазматический рети-кулум, комплекс Гольджи, лизосомы, вакуоли растительных и грибных клеток, пульсирующие вакуоли и др. К немембранным орга-неллам принадлежат рибосомы и клеточный центр, постоянно присутствующие в клетке.

Митохондрии наиболее обособленные структурные элементы цитоплазмы клетки, обладающие в значительной степени самостоятельной жизнедеятельностью. Форма митохондрий может быть овальной, округлой, вытянутой и даже разветвленной, но преобладает овально-вытянутая. Стенка митохондрий образована двумя мембранами, разделенные пространством. При этом внешняя мембрана охватывает по периферии в виде мешка всю митохондрию. Внутренняя мембрана отграничивает внутреннюю среду митохондрии, при этом она образует внутрь митохондрии складки кристы.  Функции митохондрий образование энергии в виде АТФ. Источником образования энергии в митохондрии (ее "топливом") является пировиноградная кислота, которая образуется из углеводов, белков и липидов. ^ Эндоплазматическая сеть в разных клетках может быть представлена в форме уплощенных цистерн, канальцев или отдельных везикул. Стенка этих образований состоит из мембраны и включенных в нее некоторых белков. Различают две разновидности эндоплазматической сети:

• зернистая (гранулярная или шероховатая);

• незернистая или гладкая.

• Функции зернистой эндоплазматической сети:

• синтез белков, предназначенных для выведения из клетки

• отделение (сегрегация) синтезированного продукта от гиалоплазмы;

• конденсация и модификация синтезированного белка;

• участие в синтезе гликогена;

• синтез липидов;

Пластинчатый комплекс Гольджи  представлен скоплением уплощенных цистерн и небольших везикул, ограниченных мембраной. Пластинчатый комплекс подразделяется на субъединицы — диктиосомы. Каждая диктиосома представляет собой стопку уплощенных цистерн, по периферии которых локализуются мелкие пузырьки. При этом, в каждой уплощенной цистерне периферическая часть несколько расширена, а центральная сужена.

Функции пластинчатого комплекса:

• транспортная — выводит из клетки синтезированные в ней продукты;

• конденсация и модификация веществ, синтезированных в зернистой эндоплазматической сети;

• образование лизосом участие в обмене углеводов;

• синтез, накопление и выведение муцина (слизи);

• модификация мембран, синтезированных в эндоплазматической сети и превращение их в мембраны плазмолеммы.

Среди многочисленных функций пластинчатого комплекса на первое место ставят транспортную функцию. Именно поэтому его нередко называют транспортным аппаратом клетки. Лизосомы наиболее мелкие органеллы цитоплазмы и поэтому открытые только с использованием электронного микроскопа. Представляют собой тельца, ограниченные липидной мембраной и содержащие матрикс, состоящий из набора белков-ферментов ,способных расщеплять любые полимерные соединения на мономерные фрагменты. ^ Функция лизосом обеспечение внутриклеточного пищеварения, то есть расщепления как экзогенных, так и эндогенных веществ. Строение и функции немембранных органелл 

Каждая рибосома состоит из малой и большой субъединиц. Каждая субъединица рибосомы состоит из рибосомальной РНК и белка рибонуклеопротеида, которые образуются в ядрышке. Сборка субъединиц в единую рибосому осуществляется в цитоплазме. Свободные рибосомы синтезируют белки для внутренних нужд клетки (белки-ферменты, структурные белки). Клеточный центр 

Функции.

• образование веретена деления в профазе митоза;

• положение центриолей в некоторых эпителиальных клетках предопределяется их полярную дифференцированность;

11. ФОТОСИНТЕЗ, образование клетками растений органического вещества из углекислоты и воды при участии энергии света. Характерная особенность клетки зелёного растения – присутствие пластид – мелких белково-липидных телец, несколько более плотных, чем окружающая их плазма, в основном дискообразной формы. Пластиды, содержащие хлорофилл, называются хлоропластами или хлорофилловыми зёрнами. Хлоропласты резко реагируют на освещение, хлорофилл образуется в них только на свету. Благодаря хлоропластам в зелёных растениях совершается процесс органического синтеза при непосредственном воздействии лучистой энергии солнца, поглощаемой хлорофиллом. В этот процесс вовлекаются углекислый газ (СО2), проникающий вместе с атмосферным воздухом в зелёные ткани растения (гл. обр. в листья), и вода с растворёнными в ней минеральными веществами, подаваемая в листья из почвы через корневую систему. Углекислый газ проникает в лист через устьица и по межклеточникам достигает клеток, содержащих хлоропласты. Там он приходит в соприкосновение с хлоропластами и содержащимся в них хлорофиллом.  В результате сложных реакций, совершаемых с участием энергии света, кислород возвращается в атмосферу, а в растении образуются первичные продукты фотосинтеза – глюкоза и фруктоза, относящиеся к простым, легко растворимым моносахаридам (углеводам). Затем глюкоза превращается в крахмал, являющийся запасным углеводом, необходимым для жизнедеятельности растения. Хлорофилл, будучи поглотителем солнечной энергии, обладает избирательной способностью. Солнечный луч состоит из крайних, не воспринимаемых глазом инфракрасных и ультрафиолетовых лучей, и средней, видимой, части спектра. Все лучи, за исключением инфракрасных, в разной степени поглощаются хлорофиллом. Наиболее полно идёт поглощение красно-оранжевых и синих лучей. Поглощённая хлорофиллом лучистая энергия направляется им на разрыв молекул воды и углекислоты и на ряд других реакций. Сам по себе солнечный свет не разлагает углекислоту и воду, это возможно только при наличии хлорофилла. 

Световая фаза — этап фотосинтеза, в течение которого за счёт энергии света образуются богатые энергией соединения АТФ и молекулы — носители энергии.

Осуществляется в хлоропластах, в которых на мембранах располагаются молекулы хлорофилла. Хлорофилл поглощает энергию солнечного света, которая затем используется присинтезе молекул АТФ из АДФ и фосфорной кислоты, а также способствуют расщеплению молекул воды. Кислород, образующийся при расщеплении выделяется в окружающую среду в свободной форме.