Биология / Биология / МОДУЛЬ 2.3 НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ. АТФ (з)

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТКИ МАТРИЧНЫЕ БИОКИБОРГИ

Преподаватель: Теплова Яна Рафаэлевна

МГУ им.М.В.Ломоносова факультет почвоведение кафедра эрозии и охраны почв

1

СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ ДНК

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота.

1.Макромолекула – молекулярная масса составляет от 6,5 до 13 млн.

2.Биополимер, мономером которого является нуклеотид.

3.Состоит из 2-х полинуклеотидных цепей, соединенных друг с другом и имеет

спиралевидный характер

4.Непериодический полимер, так как нуклеотиды отличаются азотистыми основаниями.

5.Аденин и гуанин – пуриновые азотистые основания, цитозин, тимин и урацил – пиримидиновые азотистые основания

Структура каждой молекулы ДНК строго индивидуальна и специфична, так как представляет собой кодовую форму записи биологической информации (генетический код). Другими словами, с помощью четырех типов нуклеотидов в ДНК записана вся важная информация об организме, передающаяся по наследству последующим поколениям.

Молекулы ДНК в основном находятся в ядрах клеток, но небольшое их количество содержится в митохондриях и пластидах.

УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ДНК

Первичная структура

Представляет собой линейную полимерную молекулу, мономером которой является дезоксинуклеотиды (молекула фосфорной кислоты + дезоксирибоза + азотистое основание)

В цепи нуклеотиды связаны ковалентной связью между фосфорным остатком одного нуклеотида и 3-ОН-группой дезоксирибозы другого нуклеотида (3,5 – фосфодиэфирная связь).

3

Вторичная структура

Представлена двойной спиралью полинуклеотидных цепей. Правозакрученные друг относительно друга и вокруг своей оси объемные спирали. Сахарофосфатный остов (заряженный, гидрофильный) молекулы снаружи. Азотистые основания стопкой уложены внутри спирали. Их плоскость перпендикулярна оси молекулы.

Связь между цепями водородная. Аденин связан с тимином двумя водородными связями (А = Т), а гуанин с цитозином – тремя (Г ≡ Ц). Это происходит из-за разной пространственной

организации.

•Ширина ДНК составляет 2 нм (нанометра) или 20 ангстрем = 10-12 м.

•В одном витке спирали – 10 нуклеотидов, расстояние между которыми = 0,34 нм.

•Расстояние между витками = 3,4 нм.

Способность к избирательному соединению нуклеотидов называется принципом комплементарности (дополнительности). Последовательность оснований в одной цепи определяет последовательность оснований в другой цепи.

Правила Чаргаффа:

1) Количество нуклеотидов

ДНК, содержащих аденин равно количеству нуклеотидов, содержащих тимин. (А = Т)

2) Количество нуклеотидов ДНК, содержащих гуанин равно количеству нуклеотидов, содержащих цитозин. (Г ≡ Ц)

3) Сумма дезоксирибонуклеотидов, содержащих пуриновые основания ДНК равна сумме дезоксирибонуклеотидов, содержащих пиримидиновые основания ДНК. (А + Г = Ц + Т)

4) Отношение суммы дезоксирибонулеотидов, содержащих аденин и тимин, к сумме дезоксирибонулеотидов, содержащих цитозин и гуанин

неодинаково у разных видов организмов.

Третичная структура

Представлены нуклепротеинами (-идами) – соединение нуклеиновых кислот с белками.

ДНК + белки (гистоны) → увеличивается степень спирализации молекулы → возникает

суперспираль ДНК, толщина которой возрастает, длина сокращается.

Комплекс ДНК с гистонами в соматических клетках – хроматин – хромосомный матриал, содержащий 60% белка, 35% ДНК и 5% РНК. Взаимодействие белков и нуклеиновых кислот электростатическое: между положительно заряженными группами аминокислот лизина, аргинина, гистидина белков и отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК.

4

Нуклеосома («бусинка») – структурная единица хроматина, выполняющая функцию плотной упаковки ДНК. Представлена 8 молекулами белков-гистонов, на которые намотана двухцепочечная нить ДНК длиной около 150-200 пар азотистых оснований. Совокупность

нуклеосом образует полисому.

−Диаметр нуклеосом: 10 нм.

−Общая длина ДНК в 23 парах хромосом человека: 1,5 м.

Такие нити хроматина – молекулы белка, тщательно «упакованные» белками – можно наблюдать в световой микроскоп во время деления клеток в виде хорошо окрашивающихся компактных вытянутых телец – хромосом.

Функции ДНК:

1.Хранение и передача наследственной (генетической) информации от одного поколения к другому.

2.Содержит информацию о первичной структуре белка.

РЕПЛИКАЦИЯ ДНК

Репликация ДНК — процесс самоудвоения, главное свойство молекулы ДНК. Репликация относится к категории реакций матричного синтеза, идет с участием ферментов.

1.Под действием ферментов молекула ДНК раскручивается

2.Около каждой цепи, выступающей в роли матрицы, по принципам

комплементарности и антипараллельности достраивается новая цепь.

3.В каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая — вновь синтезированной - 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.

5

Принципы репликации:

1.Комплементарность. А = Т, Ц ≡ Г.

2.Полуконсервативность. Образуются две дочерние спирали, каждая из которых сохраняет в неизменном виде одну из половин материнской ДНК

3.Антипараллельность. Каждая цепь ДНК имеет определенную ориентацию один конец несет остаток ортофосфорной кислоты, соединяющейся с 5’ углеродом дезоксирибозы, а второй ОН группу, соединенную с 3’ углеродом. Цепи в молекуле ДНК расположены антипараллельно одна от 3’ к 5’ концу, а вторая (комплементарная ей) от 5’ к 3’ концу. Синтез новой цепи начинается с 5’-конца, новые нуклеотиды присоединяются всегда к 3’-концевому нуклеотиду. Т.е. фермент ДНК-полимераза может двигаться вдоль цепи лишь в одном направлении от их 3’ концов к 5’ концам => синтез новых цепей идет антипараллельно.

4.Прерывистость. Чтобы новые нити ДНК могли образоваться, материнские цепи должны быть полностью раскручены и вытянуты, что невозможно, поэтому репликация начинается одновременно в нескольких местах

СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ РНК

1.Молекула РНК – полимер, состоящий из одной цепочки значительно меньших размеров (73 – 10000

нуклеотидов) и меньшей молекулярной массы.

2.Мономерами РНК являются рибонуклеотид, состоящий из рибозы, остатка фосфорной кислоты и одного из четырех азотистых оснований. Три азотистых основания – аденин, гуанин и цитозин – такие же, как и у ДНК, а четвертым является урацил.

3.Образование полимера РНК происходит так же, как и у ДНК, через ковалентные связи между рибозой и остатком фосфорной кислоты соседних нуклеотидов.

Двухцепочечные РНК – хранители генетической информации у ретровирусов, т.е. выполняют функцию хромосом.

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

Молекулы РНК находятся в ядре, цитоплазме, рибосомах, митохондриях и пластидах клетки. Все типы РНК, за исключением генетической РНК вирусов, не способны к самоудвоению и самосборке.

6

ТИПЫ РНК

1.Рибосомные (рибосомальная) РНК (р-РНК) синтезируются в основном в ядрышке.

Они входят в состав рибосом, выполняя роль «каркаса», на котором крепятся полипептиды в строго определенном порядке, и участвуют в формировании активного

центра рибосомы, где происходит процесс биосинтеза белка.

Процентное содержание от общего количества РНК: 80 – 90% Длина молекулы: 150 – 4500 нуклеотидов.

2.Транспортные РНК (т-РНК)

−образуются в ядре на ДНК, затем переходят в цитоплазму.

−самые небольшие по размеру РНК.

−каждая т-РНК присоединяет определенную

аминокислоту и транспортирует ее к месту сборки полипептида в рибосоме.

Все известные т-РНК за счет комплементарного

взаимодействия образуют вторичную структуру, по форме напоминающую «лист клевера». В молекуле т- РНК есть два активных участка: триплет-антикодон на

одном конце и акцепторный конец на другом.

Каждой аминокислоте соответствует комбинация из трех нуклеотидов – триплет. Кодирующие аминокислоты триплеты – кодоны ДНК – передаются в виде информации триплетов (кодонов) и-РНК. У

верхушки клеверного листа располагается триплет нуклеотидов, который комплементарен соответствующему кодону и-РНК. Этот триплет

различен для тРНК, переносящих разные аминокислоты, и кодирует именно ту аминокислоту, которая переносится данной т-РНК. Он получил название антикодон.

Процентное содержание от общего количества РНК: 10 – 15% Длина молекулы: 70 – 100 нуклеотидов.

3.Информационные, или матричные, м-РНК (и-РНК) синтезируются на участке одной из цепей молекулы ДНК и передают информацию о структуре белка из ядра клеток к рибосомам, где происходит синтез белковой цепочки из отдельных аминокислотных остатков. В зависимости от объема копируемой информации молекула и-РНК может иметь

различную длину, который зависит от длины участка ДНК, на котором они синтезированы.

Процентное содержание от общего количества РНК: 2 – 5% Длина молекулы: 73 – 3000 нуклеотидов.

Антикодон — триплет нуклеотидов, «распознающие» нужный кодон иРНК. Конкретная тРНК может транспортировать строго определенную аминокислоту, соответствующую ее антикодону – специфичность соединения аминокислоты и тРНК.

7

АССОТИАТИВНАЯ СТРУКТУРА ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В КЛЕТКЕ

(на примере поваренной книги)

Экзоны — участки гена, несущие информацию о строении полипептида. Интроны — участки гена, не несущие информацию о строении полипептида.

ТРАНСКРИПЦИЯ

Транскрипция — это процесс синтеза РНК по матрице ДНК. У эукариот происходит в ядре, митохондриях и хлоропластах, у прокариот —

вцитоплазме.

•Информация о структуре белка, заключенная в ДНК, «переписывается» на инфор-

мационную РНК (мРНК).

•С одного гена может «переписываться» множество молекул мРНК. Они подвергаются в ядре процессингу, после чего транспортируются из ядра в цитоплазму, где и выполняют свои функции.

•Промотор — участок гена (представляет собой особое сочетание нуклеотидов), к которому присоединяется фермент РНК-полимераза.

•РНК-полимераза (фермент) движется по молекуле ДНК в направлении 3’ → 5’ матричной цепи.

•Синтез цепи РНК идет антипараллельно, в направлении 5’ → 3’ конец.

Процессинг (от англ. processing — обработка) — совокупность реакций, ведущих к превращению первичных неактивных транскриптов (пре-РНК) в функционирующие молекулы (иРНК, тРНК, рРНК).

Этапы (фазы) транскрипции:

1.Инициация — начало синтеза РНК. Во время этой стадии фермент РНК-полимераза

прикрепляется к промотору – опознавательному участку в начале матричной цепи ДНК;

2.Элонгация — синтез молекулы РНК по правилу комплементарности;

3.Терминация — завершение синтеза РНК, отделение от матричной цепи ДНК. В результате у эукариот образуется пре-РНК, а у прокариот — зрелая РНК.

8

Ген – участок молекулы ДНК, кодирующий первичную последовательность аминокислот в полипептиде.

Промотор — участок гена (представляет собой особое сочетание нуклеотидов), к которому присоединяется фермент РНК-полимераза.

Послеобразования пре-иРНК начинается

процессинг (созревание) РНК. При этом из молекулы РНК удаляются интронные участки с последующим соединением экзонных участков – сплайсинг: из молекулы РНК

удаляются интронные участки (не несущие информацию о структуре белка) с последующим соединением экзонных участков.

9

АДЕНОЗИНТРИФОСФАТ

Широко распространенными являются макроэргические соединения (высокоэнергетические соединения, содержащие богатые энергией, или макроэргические, связи), а среди последних – аденозинтрифосфат (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:

1)азотистого основания (аденина),

2)моносахарида (рибозы),

3)трех остатков фосфорных кислот.

АТФ содержит не один, а три остатка фосфорной кислоты, поэтому она относится к

рибонуклеозидтрифосфатам.

АТФ – универсальный хранитель и переносчик энергии в клетке.

При отделении одного остатка фосфорной кислоты АТФ переходит в аденозиндифосфат (АДФ), если отделяется еще один остаток фосфорной кислоты (что бывает крайне редко), то АДФ переходит в аденозинмонофосфат (АМФ). При отделении третьего и второго остатков фосфорной кислоты освобождается большое количество энергии – до 40 кДж – связь между этими остатками фосфорной кислоты называют макроэргической (она обозначается символом «~»). Связь между рибозой и первым остатком фосфорной кислоты макроэргической не является, и при ее расщеплении выделяется всего около 14 кДж энергии.

АТФ + Н2О → АДФ + Н3РО4 + 40 кДж, АДФ + Н2О → АМФ + Н3РО4 + 40 кДж.

•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.

Макроэргические (высокоэнергетические) соединения могут образовываться и на основе других нуклеотидов. Например, гуанозинтрифосфат (ГТФ) играет важную роль в ряде биохимических процессов, однако АТФ является наиболее распространенным и универсальным источником энергии для большинства биохимических реакций, протекающих в клетке. АТФ содержится в цитоплазме, митохондриях, пластидах и ядрах. Главным образов в митохондриях в процессе клеточного дыхания.

10