Нуклеиновые кислоты, строение и функции

Нуклеиновые кислоты (НК) - это линейные неразветвленные гетерополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды, каждый из которых состоит из азотистого основания, сахара-пентозы и остатка фосфорной кислоты. В состав НК входят пуриновые (аденин, гуанин – А, Г) и пиримидиновые (цитозин, урацил, тимин – Ц, Т, У) основания. При формировании двойной цепочки молекулы ДНК азотистые основания взаимодействуют друг с другом комплементарно - строго попарно за счет водородных связей ( А::Т(У), Г:::Ц).

Нуклеиновые кислоты обеспечивают:

• хранение и воспроизведение генетического материала при делении клетки;

• в интерфазе жизненного цикла клетки НК участвуют в реализации наследственной информации путем транскрипции и трансляции.

РНК. В клетках обнаруживается три основных типа РНК, выполняющих различные функции:

• Информационная, или матричная РНК (иРНК, или мРНК). Служит для передачи генетической информации от ДНК на рибосомы при биосинтезе белка.

• Рибосомальная РНК (рРНК). Входит в состав рибосом, определяет форму большой и малой рибосомных субъединиц, обеспечивает контакт рибосомы с другими типами РНК.

• Транспортная РНК (тРНК). Транспортирует аминокислоты к соответствующему участку иРНК в рибосомах. Каждый тип тРНК транспортирует определенную аминокислоту.

Биосинтез белка

Основной этап процесса биосинтеза белка (трансляция) протекает на рибосомах в зоне шероховатого ЭПР, но в подготовке к нему принимают участие почти все органоиды клетки. В ядре на ДНК-матрицах образуются и-РНК, т-РНК, р-РНК (прорибосомальные частицы). В митохондриях, пластидах, в цитоплазме образуются все аминокислоты, необходимые для синтеза белка. В реакциях гликолиза, протекающих в ядре, образуется АТФ, необходимая для синтеза НК.

Основные этапы биосинтеза белка:

Транскрипция (синтез) и-РНК в ядре по матрице ДНК.

Процессинг (дозревание и-РНК).

Трансляция (биосинтез белка на рибосоме), стадии:

• Активирование аминокислот в цитоплазме за счет энергии АТФ:

Аминок-та (аминоацил) + АТФ = Аминоацил-АМФ + ФФн

• Взаимодействие активированной аминокислоты с т-РНК

Аминоацил-АМФ + т-РНК (Аминоацил-т-РНК + АМФ

• Трансляция. Синтез полипептидной цепочки на рибосоме (этапы: инициация – элонгация – терминация):

Регуляция синтеза белка (схема Жакоба-Моно)

Деятельность структурного гена, в котором закодирована информация о первичной структуре полипептидной цепи (белке), контролируется с помощью особого регуляторного гена (гена-регулятора), отделенного по расположению в ДНК от структурного гена. Регуляторный ген определяет синтез белков репрессоров или активаторов структурного гена. Связываясь с промотором - особым участком структурного гена, репрессор препятствует взаимодействию РНК-полимеразы с ДНК, вследствие этого транскрипция становится невозможной. Активатор, напротив, облегчает присоединение РНК-полимеразы и т.о. инициирует транскрипцию (экспрессию) гена. В качестве индукторов и репрессоров могут выступать различные метаболиты, фитогормоны, белки.

Основные понятия

Антикодон – участок т-РНК, содержащий последовательность из трех нуклеотидов, комплементарный кодону данной аминокислоты в молекуле и-РНК

Ген - отдельный участок ДНК, в котором закодирована информация о полипептидной цепи или молекуле РНК.

Генетический код (г.к.)– система записи наследственной информации в виде последовательности нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот. Единицей г.к. служит кодон или триплет (тринуклеотид). Г.к. определяет последовательность аминокислот в синтезирующейся молекуле белка.

Генотип - совокупность всех генов организма.

Геном - совокупность генов, содержащихся в гаплоидном наборе хромосом (1n) данного организма.

Код ДНК - последовательность нуклеотидов в ДНК, которая определяет последовательность аминокислот в белке. Код: универсален, триплетен, вырожден, однозначен.

Кодон – последовательность из трех нуклеотидов в молекуле и-РНК, шифрует определенную аминокислоту в молекуле белка.

Транскрипция синтез всех типов РНК по ДНК-матрице.

Трансляция - биосинтез белков на рибосомах.

Макроэргические соединения (высокоэнергетические соединения)

Высокоэнергетическими соединениями являются АТФ и в-ва, способные образовывать АТФ в ферментативных реакциях переноса групп без участия окислительных процессов. Такие соединения содержат в своей молекуле связи, при гидролизе которых высвобождается большое количество свободной энергии. Высокоэнергетические соединения имеют, как правило, в своем составе, высокоэнергетическую фосфатную (фосфорильную) группу и могут передавать ее другим веществам.

В центре энергетического обмена клетки стоит АТФ и продукты ее гидролиза - АДФ, АМФ, Ф_н, ФФ_н.

+Н₂О  Е Е (_{34,5 кДж/моль ААА}

_{33,6 кДж /ТНН.}

АТФ АДФ + Ф_{н 31 кДдж ПБП}

- Н₂О  Е // от 31 до 40 кДж

В ходе гидролиза АТФ фосфатная группа переносится на ОН-ион, при этом стандартная свободная энергия гидролиза составляет 34,5 кДж/моль^-1.

Перенос фосфатных групп и энергии (Е) с АТФ на другие соединения приводит к активации этого соединения, увеличению его реакционной способности.

АТФ Глюкоза АТФ Фруктоза

-31кДж +14 кДж -31 кДж +16 кДж

АДФ Глю -6- ф АДФ Фру-6-ф

 кДж -15 кДж

Все живые организмы улавливают энергию внешних энергетических ресурсов с помощью систем аккумуляции энергии и преобразуют ее в энергию высокоэнергетических соединений. Системы аккумуляции энергии делятся на два типа:

1. Реакции фосфорилирования, не требующие мембранных структур - субстратное фосфорилирование (гликолиз, брожение).

1,3- диФГК 3-ФГК ФЕП ПВК ферменты - киназы

трансферазы

АДФ АТФ АДФ АТФ

3. Реакции фосфорилирования, протекающие на мембранах (митохондрий и хлоропластов) - - за счет энергии электрохимического потенциала ионов Н⁺ на мембране - мембранное фосфорилирование. Эти мембраны, несущие ферменты переноса электронов (ЭТЦ) и сопряженного с ними фосфорилирования, называются сопрягающими мембранами.

Е  _Н⁺  АТФ

Витамины (открыты русским ученым Н.И. Луниным в 1880 г.)

Витамины - группа низкомолекулярных биологически активных веществ, которые обеспечивают нормальное протекание биохимических и физиологических процессов путем участия в регуляции метаболизма. Витамины не синтезируются в организме человека и обязательно должны присутствовать в пище. Витамины делят на: 1) жирорастворимые: (А,D,Е, К, F), 2) растворимые в воде (В_1...12, РР, Р, С, Н), 3) витаминоподобные соединения.

Физиологическая роль витаминов в растительной клетке:

• являются исходным материалом для биосинтеза ряда коферментов (вит. группы В, РР, К, Н)

Витамин	Кофермент	Функция фермента
В1 Тиамин	Тиаминпирфосфат	Декарбоксилирование
В2 Рибофлавин	ФМН, ФАД	Перенос ионов Н+ и электронов
В3 Пантотеновая к-та	Кофермент А (КоА)	Перенос ацилов, синтез жирных кислот
В5, РР Никотинамид, ниацин	НАД, НАДФ Перенос Н+ и е-
В6 Пиридоксин	пиридоксальфосфат	Перенос аминогрупп, декарбоксилирование
Вс Фолиевая к-та	Тетрагидрофолиевая к-та	Перенос С1-групп
Н Биотин		Карбоксилирование, перенос карбоксильных групп

• витамин С непосредственно участвует в окислительно-восстановительных реакциях, протекающих в клетках, как донор или акцептор электронов;

• ряд витаминов участвует в регуляции проницаемости мембран (витамины А, D);

• снижают интенсивность окислительных процессов и тем самым замедляют старение клеток (антиоксиданты - витамины А, Е, С);

• подавляют действие ряда мутагенных факторов (антимутагены), витамины А, Е, С.

Жирорастворимые витамины, биологическая роль

Витамин А (ретинол, антиксерофтальмин, фактор роста)

• а) в растениях и у ряда микроорганизмов образуются предшественники витамина А (каротиноиды), которые в организме человека превращаются в витамин А – ретинол, который входит в состав фоточувствительного сложного белка родопсина (хромопротеин);

• б) участвует в регуляции проницаемости мембран, влияет на усвоение и обмен белка в организме, а также на липидный обмен (на рост);

• в) участвует в окислительно-восстановительных реакциях.

Витамин D (антирахитический, кальциферолы).

участвуют в регуляции транспорта фосфора и кальция через мембраны.

Витамин Е (антистерильный, токоферолы);

• а) играют роль биологических антиоксидантов, т.е. защищают липиды мембран от окисления и повреждения свободными радикалами;

• б) обладают антимутагенным свойствами.

Витамин К (антигеморрагический, филлохиноны);

• влияет на структуру и функцииклеточных мембран;

• кофермент ряда оксидоредуктаз;

• участвует в синтезе ряда факторов свертывания крови.

Источники витамина К - зеленые растения, где он содержится в хлоропластах в виде филлохинона. Особенно богаты им шпинат, капуста, тыква.

Витамины группы F: комплекс ненасыщенных жирных кислот (линолевая, линоленовая, арахидоновая, которые участвуют в регуляции жирового обмена. Они (через простгландиды) влияют на синтез ряда гормонов. Источником ненасыщенных жирных кислот являются в основном растительные масла.