Рибонуклеиновые кислоты (как и ДНК) тоже являются полимерами, мономерами которых служат нуклеотиды. Но нуклеотиды РНК отличаются по своему химическому составу от нуклеотидов ДНК. В состав нуклеотидов РНЕ, в отличие от нуклеотидов ДНК, входит вместо пентозы дезоксирибозы пентоза рибоза. В составе нуклеотидов РНК отсутствует азотистое основание тимин. Оно заменяется другим азотистым основанием, которое называется урацил. Таким образом, нуклеотид РНК можно представить в виде следующей схемы:
В отличие от молекулы ДНК, молекула РНК представляет собой не двойную, а одинарную спираль (рис. 3)
Рис. 3. Схема строения молекул ДНК и РНК
Существует три основных типа РНК, которые отличаются друг от друга по месту локализации в клетке, нуклеотидному составу, размерам и выполняемым функциям. Это - информационная, или ее еще называют матричнойРНК (и-РНК или м-РНК), транспортная РНК (т-РНК) и рибосомная РНК (р-РНК).
Информационная РНК строится по принципу комплементарности на одной из цепей ДНК в ядре клетки, снимая с нее тем самым информацию, которая необходима для построения рибосомой определенного с заданными свойствами белка. Информационная РНК не только снимает информацию с молекулы ДНК, но и несет эту информацию в рибосому, благодаря способности покидать пределы ядра. Процесс построения и-РНК на молекуле ДНК называется транскрипцией.
Для построения белка недостаточно иметь только информацию. Белок строится в рибосоме из аминокислот, которые необходимо транспортировать сюда из цитоплазмы, где они находятся в свободном состоянии. Эту функцию выполняют молекулы транспортной РНК. Они невелики по размеру и имеют постоянную вторичную структуру, которая напоминает лист клевера.
Существует 20 видов транспортных РНК, так как каждый из них может переносить только одну из 20 видов аминокислот, используемых клеткой для синтеза белка.
Рибосомная РНК обеспечивает структурную функцию. Ее молекулы вместе с молекулами рибосомных белков обеспечивают определенное пространственное расположение и-РНК и т-РНК на рибосоме. Процесс синтеза белка из аминокислот на матрице (форме) и-РНК называется трансляцией.
Важнейшей биологической функцией нуклеиновых кислот является их участие в биосинтезе белка, лежащего в основе механизмов нормального роста и развития организма, они также хранят и передают наследственную информацию.
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)
Аденозинтрифосфорная кислота - вещество, которое используется клеткой как универсальный биологический аккумулятор энергии. Для того чтобы понять, как АТФ удается выполнять столь важную для жизнедеятельности клетки функцию, необходимо познакомиться с химическим строением ее молекулы. Молекула АТФ представляет собой уже знакомую вам структуру, которая называется нуклеотидом. Он состоит из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты:
Две химические связи в молекуле АТФ (О ~ Р) называются макроэргическими связями, их отличительная особенность состоит в том, что они заключают в себе гораздо больше энергии, чем какие бы то ни было другие химические связи. Разрушаются макроэргические связи при взаимодействии АТФ с водой (такие реакции называются реакциями гидролиза). Когда в результате гидролиза от молекулы АТФ отщепляется одна молекула фосфорной кислоты, она превращается в молекулу АДФ (аденозиндифосфорную кислоту) (рис. 4), а при дальнейшем гидролизе молекула АДФ превращается в молекулу АМФ (аденозинмонофосфорную кислоту). В первом случае, при разрыве одной макроэргической связи выделяется 42 кДж энергии, во втором – еще 42 кДж энергии.
Таким образом, в результате расщепления молекулы АТФ выделяется огромное количество энергии (84 кДж), которая расходуется клеткой на процессы жизнедеятельности. Накапливается запас молекул АТФ в особой органелле клетки, которая называется митохондрией.
Рис. 4. Схема строения АТФ и превращения ее в АДФ
1. В тетради назовите сходства и отличия в строении ДНК и РНК.
2. В тетради дайте определение понятиям: комплементарность, репликация, траскрипция, трансляция, ген.
Обозначьте знаком «+» все правильные ответы:
3. В состав нуклеотида входят:
А) пентоза; Б) остаток фосфорной кислоты;
В) гексоза; Г) азотистое основание;
Д) остаток сульфатной кислоты
4. Мономеры нуклеиновых кислот:
А) моносахариды; Б) нуклеозиды;
В) аминокислоты; Г) нуклеотиды;
Д) азотистые основания
5. В состав нуклеотидов молекулы ДНК входят:
Г) цитозин; Д) урацил
6. В состав нуклеотидов РНК входят:
А) рибоза; Б) дезоксирибоза; В) тимин;
Г) аденин; Д) урацил
7. Соседние нуклеотиды в полинуклеотидной цепи соединены связями:
А) водородными; Б) ковалентными;
В) гидрофильно-гидрофобными взаимодействиями;
Г) ионными; Д) пептидными
8. Определите соответствие между молекулами и их функциями:
А) АТФ 1) является матрицей для синтеза белка
Б) р-РНК 2) транспортирует к месту синтеза белка
аминокислоты
В) и-РНК 3) входит в состав рибосом
Г) т-РНК 4) является универсальным перенос-
чиком энергии
5) является матрицей для синтеза и-РНК
9. По правилу комплементарности определите последовательность нуклеотидов второй цепочки ДНК, если последовательность первой цепочки следующая:
ААА ГГЦ ТАА ТТТ ЦАГ
А) ТТЦ ЦТА АТТ ААЦ ГГЦ;
Б) ТТТ ЦЦГ ТТА ААГ ГТЦ;
В) ТТТ ЦЦГ АТТ ААА ГТЦ;
Г) ГГЦ ТАТ ГГТ ААТ ГТЦ.
10. Определите количество аминокислот, которые входят в состав белка, который кодируется последовательностью из 1035 нуклеотидов:
А) 1035; Б) 173; В) 154; Г) 345
В любой клетке нашего организма протекают миллионы биохимических реакций. Они катализируются множеством ферментов, которые зачастую требуют затрат энергии. Где же клетка ее берет? На этот вопрос можно ответить, если рассмотреть строение молекулы АТФ - одного из основных источников энергии.
АТФ - универсальный источник энергии
АТФ расшифровывается как аденозинтрифосфат, или аденозинтрифосфорная кислота. Вещество является одним из двух наиболее важных источников энергии в любой клетке. Строение АТФ и биологическая роль тесно связаны. Большинство биохимических реакций может протекать только при участии молекул вещества, особенно это касается Однако АТФ редко непосредственно участвует в реакции: для протекания любого процесса нужна энергия, заключенная именно в аденозинтрифосфата.
Строение молекул вещества таково, что образующиеся связи между фосфатными группами несут огромное количество энергии. Поэтому такие связи также называются макроэргическими, или макроэнергетическими (макро=много, большое количество). Термин впервые ввел ученый Ф. Липман, и он же предложил использовать значок ̴ для их обозначения.
Очень важно для клетки поддерживать постоянный уровень содержания аденозинтрифосфата. Особенно это характерно для клеток мышечной ткани и нервных волокон, потому что они наиболее энергозависимы и для выполнения своих функций нуждаются в высоком содержании аденозинтрифосфата.
Строение молекулы АТФ
Аденозинтрифосфат состоит из трех элементов: рибозы, аденина и остатков
Рибоза - углевод, который относится к группе пентоз. Это значит, что в составе рибозы 5 атомов углерода, которые заключены в цикл. Рибоза соединяется с аденином β-N-гликозидной связь на 1-ом атоме углерода. Также к пентозе присоединяются остатки фосфорной кислоты на 5-ом атоме углерода.
Аденин - азотистое основание. В зависимости от того, какое азотистое основание присоединяется к рибозе, выделяют также ГТФ (гуанозинтрифосфат), ТТФ (тимидинтрифосфат), ЦТФ (цитидинтрифосфат) и УТФ (уридинтрифосфат). Все эти вещества схожи по строению с аденозинтрифосфатом и выполняют примерно такие же функции, однако они встречаются в клетке намного реже.
Остатки фосфорной кислоты . К рибозе может присоединиться максимально три остатка фосфорной кислоты. Если их два или только один, то соответственно вещество называется АДФ (дифосфат) или АМФ (монофосфат). Именно между фосфорными остатками заключены макроэнергетические связи, после разрыва которых высвобождается от 40 до 60 кДж энергии. Если разрываются две связи, выделяется 80, реже - 120 кДж энергии. При разрыве связи между рибозой и фосфорным остатком выделяется всего лишь 13,8 кДж, поэтому в молекуле трифосфата только две макроэргические связи (Р ̴ Р ̴ Р), а в молекуле АДФ - одна (Р ̴ Р).
Вот каковы особенности строения АТФ. По причине того, что между остатками фосфорной кислоты образуется макроэнергетическая связь, строение и функции АТФ связаны между собой.
Строение АТФ и биологическая роль молекулы. Дополнительные функции аденозинтрифосфата
Кроме энергетической, АТФ может выполнять множество других функций в клетке. Наряду с другими нуклеотидтрифосфатами трифосфат участвует в построении нуклеиновый кислот. В этом случае АТФ, ГТФ, ТТФ, ЦТФ и УТФ являются поставщиками азотистых оснований. Это свойство используется в процессах и транскрипции.
Также АТФ необходим для работы ионных каналов. Например, Na-K канал выкачивает 3 молекулы натрия из клетки и вкачивает 2 молекулы калия в клетку. Такой ток ионов нужен для поддержания положительного заряда на наружной поверхности мембраны, и только с помощью аденозинтрифосфата канал может функционировать. То же касается протонных и кальциевых каналов.
АТФ является предшественником вторичного мессенжера цАМФ (циклический аденозинмонофосфат) - цАМФ не только передает сигнал, полученный рецепторами мембраны клетки, но и является аллостерическим эффектором. Аллостерические эффекторы - это вещества, которые ускоряют или замедляют ферментативные реакции. Так, циклический аденозинтрифосфат ингибирует синтез фермента, который катализирует расщепление лактозы в клетках бактерии.
Сама молекула аденозинтрифосфата также может быть аллостерическим эффектором. Причем в подобных процессах антагонистом АТФ выступает АДФ: если трифосфат ускоряет реакцию, то дифосфат затормаживает, и наоборот. Таковы функции и строение АТФ.
Как образуется АТФ в клетке
Функции и строение АТФ таковы, что молекулы вещества быстро используются и разрушаются. Поэтому синтез трифосфата - это важный процесс образования энергии в клетке.
Выделяют три наиболее важных способа синтеза аденозинтрифосфата:
1. Субстратное фосфорилирование.
2. Окислительное фосфорилирование.
3. Фотофосфорилирование.
Субстратное фосфорилирование основано на множественных реакциях, протекающих в цитоплазме клетки. Эти реакции получили название гликолиза - анаэробный этап В результате 1 цикла гликолиза из 1 молекулы глюкозы синтезируется две молекулы которые дальше используются для получения энергии, и также синтезируются два АТФ.
- С 6 Н 12 О 6 + 2АДФ + 2Фн --> 2С 3 Н 4 O 3 + 2АТФ + 4Н.
Дыхание клетки
Окислительное фосфорилирование - это образование аденозинтрифосфата путем передачи электронов по электронно-транспортной цепи мембраны. В результате такой передачи формируется градиент протонов на одной из сторон мембраны и с помощью белкового интегрального комплекта АТФ-синтазы идет построение молекул. Процесс протекает на мембране митохондрий.
Последовательность стадий гликолиза и окислительного фосфорилирования в митохондриях составляет общий процесс под названием дыхание. После полного цикла из 1 молекулы глюкозы в клетке образуется 36 молекул АТФ.
Фотофосфорилирование
Процесс фотофосфорилирования - это то же окислительное фосфорилирование лишь с одним отличием: реакции фотофосфорилирования протекают в хлоропластах клетки под действием света. АТФ образуется во время световой стадии фотосинтеза - основного процесса получения энергии у зеленых растений, водорослей и некоторых бактерий.
В процессе фотосинтеза все по той же электронно-транспортной цепи проходят электроны, в результате чего формируется протонный градиент. Концентрация протонов на одной из сторон мембраны является источником синтеза АТФ. Сборка молекул осуществляется посредством фермента АТФ-синтазы.
В среднестатистической клетке содержится 0,04% аденозинтрифосфата от всей массы. Однако самое большое значение наблюдается в мышечных клетках: 0,2-0,5%.
В клетке около 1 млрд молекул АТФ.
Каждая молекула живет не больше 1 минуты.
Одна молекула аденозинтрифосфата обновляется в день 2000-3000 раз.
В сумме за сутки организм человека синтезирует 40 кг аденозинтрифосфата, и в каждый момент времени запас АТФ составляет 250 г.
Заключение
Строение АТФ и биологическая роль его молекул тесно связаны. Вещество играет ключевую роль в процессах жизнедеятельности, ведь в макроэргических связях между фосфатными остатками содержится огромное количество энергии. Аденозинтрифосфат выполняет множество функций в клетке, и поэтому важно поддерживать постоянную концентрацию вещества. Распад и синтез идут с большой скоростью, т. к. энергия связей постоянно используется в биохимических реакциях. Это незаменимое вещество любой клетки организма. Вот, пожалуй, и все, что можно сказать о том, какое строение имеет АТФ.
К нуклеиновым кислотам относят высокополимерные соединения, распадающиеся при гидролизе на пуриновые и пиримидиновые основания, пентозу и фосфорную кислоту. Нуклеиновые кислоты содержат углерод, водород, фосфор, кислород и азот. Различают два класса нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) .
Строение и функции ДНК
ДНК — полимер, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды. Модель пространственного строения молекулы ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком (для построения этой модели они использовали работы М. Уилкинса, Р. Франклин, Э. Чаргаффа).
Молекула ДНК образована двумя полинуклеотидными цепями, спирально закрученными друг около друга и вместе вокруг воображаемой оси, т.е. представляет собой двойную спираль (исключение — некоторые ДНК-содержащие вирусы имеют одноцепочечную ДНК). Диаметр двойной спирали ДНК — 2 нм, расстояние между соседними нуклеотидами — 0,34 нм, на один оборот спирали приходится 10 пар нуклеотидов. Длина молекулы может достигать нескольких сантиметров. Молекулярный вес — десятки и сотни миллионов. Суммарная длина ДНК ядра клетки человека — около 2 м. В эукариотических клетках ДНК образует комплексы с белками и имеет специфическую пространственную конформацию.
Мономер ДНК — нуклеотид (дезоксирибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания нуклеиновых кислот относятся к классам пиримидинов и пуринов. Пиримидиновые основания ДНК (имеют в составе своей молекулы одно кольцо) — тимин, цитозин. Пуриновые основания (имеют два кольца) — аденин и гуанин.
Моносахарид нуклеотида ДНК представлен дезоксирибозой.
Название нуклеотида является производным от названия соответствующего основания. Нуклеотиды и азотистые основания обозначаются заглавными буквами.
Полинуклеотидная цепь образуется в результате реакций конденсации нуклеотидов. При этом между 3"-углеродом остатка дезоксирибозы одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает фосфоэфирная связь (относится к категории прочных ковалентных связей). Один конец полинуклеотидной цепи заканчивается 5"-углеродом (его называют 5"-концом), другой — 3"-углеродом (3"-концом).
Против одной цепи нуклеотидов располагается вторая цепь. Расположение нуклеотидов в этих двух цепях не случайное, а строго определенное: против аденина одной цепи в другой цепи всегда располагается тимин, а против гуанина — всегда цитозин, между аденином и тимином возникают две водородные связи, между гуанином и цитозином — три водородные связи. Закономерность, согласно которой нуклеотиды разных цепей ДНК строго упорядоченно располагаются (аденин — тимин, гуанин — цитозин) и избирательно соединяются друг с другом, называется принципом комплементарности . Следует отметить, что Дж. Уотсон и Ф. Крик пришли к пониманию принципа комплементарности после ознакомления с работами Э. Чаргаффа. Э. Чаргафф, изучив огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, установил, что в любом фрагменте ДНК содержание остатков гуанина всегда точно соответствует содержанию цитозина, а аденина — тимину («правило Чаргаффа» ), но объяснить этот факт он не смог.
Из принципа комплементарности следует, что последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой.
Цепи ДНК антипараллельны (разнонаправлены), т.е. нуклеотиды разных цепей располагаются в противоположных направлениях, и, следовательно, напротив 3"-конца одной цепи находится 5"-конец другой. Молекулу ДНК иногда сравнивают с винтовой лестницей. «Перила» этой лестницы — сахарофосфатный остов (чередующиеся остатки дезоксирибозы и фосфорной кислоты); «ступени» — комплементарные азотистые основания.
Функция ДНК — хранение и передача наследственной информации.
Репликация (редупликация) ДНК
— процесс самоудвоения, главное свойство молекулы ДНК. Репликация относится к категории реакций матричного синтеза, идет с участием ферментов. Под действием ферментов молекула ДНК раскручивается, и около каждой цепи, выступающей в роли матрицы, по принципам комплементарности и антипараллельности достраивается новая цепь. Таким образом, в каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая — вновь синтезированной. Такой 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.
В репликации участвуют следующие ферменты:
- геликазы («расплетают» ДНК);
- дестабилизирующие белки;
- ДНК-топоизомеразы (разрезают ДНК);
- ДНК-полимеразы (подбирают дезоксирибонуклеозидтрифосфаты и комплементарно присоединяют их к матричной цепи ДНК);
- РНК-праймазы (образуют РНК-затравки, праймеры);
- ДНК-лигазы (сшивают фрагменты ДНК).
С помощью геликаз в определенных участках ДНК расплетается, одноцепочечные участки ДНК связываются дестабилизирующими белками, образуется репликационная вилка . При расхождении 10 пар нуклеотидов (один виток спирали) молекула ДНК должна совершить полный оборот вокруг своей оси. Чтобы предотвратить это вращение ДНК-топоизомераза разрезает одну цепь ДНК, что дает ей возможность вращаться вокруг второй цепи.
ДНК-полимераза может присоединять нуклеотид только к 3"-углероду дезоксирибозы предыдущего нуклеотида, поэтому данный фермент способен передвигаться по матричной ДНК только в одном направлении: от 3"-конца к 5"-концу этой матричной ДНК. Так как в материнской ДНК цепи антипараллельны, то на ее разных цепях сборка дочерних полинуклеотидных цепей происходит по-разному и в противоположных направлениях. На цепи 3"-5" синтез дочерней полинуклеотидной цепи идет без перерывов; эта дочерняя цепь будет называться лидирующей . На цепи 5"-3" — прерывисто, фрагментами (фрагменты Оказаки ), которые после завершения репликации ДНК-лигазами сшиваются в одну цепь; эта дочерняя цепь будет называться запаздывающей (отстающей ).
Особенностью ДНК-полимеразы является то, что она может начинать свою работу только с «затравки» (праймера ). Роль «затравок» выполняют короткие последовательности РНК, образуемые при участи фермента РНК-праймазы и спаренные с матричной ДНК. РНК-затравки после окончания сборки полинуклеотидных цепочек удаляются.
Репликация протекает сходно у прокариот и эукариот. Скорость синтеза ДНК у прокариот на порядок выше (1000 нуклеотидов в секунду), чем у эукариот (100 нуклеотидов в секунду). Репликация начинается одновременно в нескольких участках молекулы ДНК. Фрагмент ДНК от одной точки начала репликации до другой образует единицу репликации — репликон .
Репликация происходит перед делением клетки. Благодаря этой способности ДНК осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним.
Репарация («ремонт»)
Репарацией называется процесс устранения повреждений нуклеотидной последовательности ДНК. Осуществляется особыми ферментными системами клетки (ферменты репарации ). В процессе восстановления структуры ДНК можно выделить следующие этапы: 1) ДНК-репарирующие нуклеазы распознают и удаляют поврежденный участок, в результате чего в цепи ДНК образуется брешь; 2) ДНК-полимераза заполняет эту брешь, копируя информацию со второй («хорошей») цепи; 3) ДНК-лигаза «сшивает» нуклеотиды, завершая репарацию.
Наиболее изучены три механизма репарации: 1) фоторепарация, 2) эксцизная, или дорепликативная, репарация, 3) пострепликативная репарация.
Изменения структуры ДНК происходят в клетке постоянно под действием реакционно-способных метаболитов, ультрафиолетового излучения, тяжелых металлов и их солей и др. Поэтому дефекты систем репарации повышают скорость мутационных процессов, являются причиной наследственных заболеваний (пигментная ксеродерма, прогерия и др.).
Строение и функции РНК
— полимер, мономерами которой являются рибонуклеотиды . В отличие от ДНК, РНК образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой (исключение — некоторые РНК-содержащие вирусы имеют двухцепочечную РНК). Нуклеотиды РНК способны образовывать водородные связи между собой. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК.
Мономер РНК — нуклеотид (рибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания РНК также относятся к классам пиримидинов и пуринов.
Пиримидиновые основания РНК — урацил, цитозин, пуриновые основания — аденин и гуанин. Моносахарид нуклеотида РНК представлен рибозой.
Выделяют три вида РНК : 1) информационная (матричная) РНК — иРНК (мРНК), 2) транспортная РНК — тРНК, 3) рибосомная РНК — рРНК.
Все виды РНК представляют собой неразветвленные полинуклеотиды, имеют специфическую пространственную конформацию и принимают участие в процессах синтеза белка. Информация о строении всех видов РНК хранится в ДНК. Процесс синтеза РНК на матрице ДНК называется транскрипцией.
Транспортные РНК содержат обычно 76 (от 75 до 95) нуклеотидов; молекулярная масса — 25 000-30 000. На долю тРНК приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке. Функции тРНК: 1) транспорт аминокислот к месту синтеза белка, к рибосомам, 2) трансляционный посредник. В клетке встречается около 40 видов тРНК, каждый из них имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов. Однако у всех тРНК имеется несколько внутримолекулярных комплементарных участков, из-за которых тРНК приобретают конформацию, напоминающую по форме лист клевера. У любой тРНК есть петля для контакта с рибосомой (1), антикодоновая петля (2), петля для контакта с ферментом (3), акцепторный стебель (4), антикодон (5). Аминокислота присоединяется к 3"-концу акцепторного стебля. Антикодон — три нуклеотида, «опознающие» кодон иРНК. Следует подчеркнуть, что конкретная тРНК может транспортировать строго определенную аминокислоту, соответствующую ее антикодону. Специфичность соединения аминокислоты и тРНК достигается благодаря свойствам фермента аминоацил-тРНК-синтетаза.
Рибосомные РНК содержат 3000-5000 нуклеотидов; молекулярная масса — 1 000 000-1 500 000. На долю рРНК приходится 80-85% от общего содержания РНК в клетке. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы — органоиды, осуществляющие синтез белка. В эукариотических клетках синтез рРНК происходит в ядрышках. Функции рРНК : 1) необходимый структурный компонент рибосом и, таким образом, обеспечение функционирования рибосом; 2) обеспечение взаимодействия рибосомы и тРНК; 3) первоначальное связывание рибосомы и кодона-инициатора иРНК и определение рамки считывания, 4) формирование активного центра рибосомы.
Информационные РНК разнообразны по содержанию нуклеотидов и молекулярной массе (от 50 000 до 4 000 000). На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке. Функции иРНК : 1) перенос генетической информации от ДНК к рибосомам, 2) матрица для синтеза молекулы белка, 3) определение аминокислотной последовательности первичной структуры белковой молекулы.
Строение и функции АТФ
Аденозинтрифосфорная кислота (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 остатков: 1) азотистого основания (аденина), 2) моносахарида (рибозы), 3) трех фосфорных кислот. Поскольку АТФ содержит не один, а три остатка фосфорной кислоты, она относится к рибонуклеозидтрифосфатам.
Для большинства видов работ, происходящих в клетках, используется энергия гидролиза АТФ. При этом при отщеплении концевого остатка фосфорной кислоты АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту), при отщеплении второго остатка фосфорной кислоты — в АМФ (аденозинмонофосфорную кислоту). Выход свободной энергии при отщеплении как концевого, так и второго остатков фосфорной кислоты составляет по 30,6 кДж. Отщепление третьей фосфатной группы сопровождается выделением только 13,8 кДж. Связи между концевым и вторым, вторым и первым остатками фосфорной кислоты называются макроэргическими (высокоэнергетическими).
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. Кроме этого, АТФ наряду с другими рибонуклеозидтрифосфатами (ГТФ, ЦТФ, УТФ) является субстратом для синтеза РНК.
Перейти к лекции №3 «Строение и функции белков. Ферменты»
Перейти к лекции №5 «Клеточная теория. Типы клеточной организации»
| Показатели. | ДНК | РНК | АТФ |
| Нахождение в клетке | Ядро, митохондрии, пластиды. | Ядро, рибосомы, митохондрии, хлоропласты. | Цитоплазма, ядро, митохондрии. хлоропласты. |
| Нахождение в ядре. | Хроматин, хромосомы. | Ядрышко. | Кариоплазма. |
| Строение. | Две длинные полинуклеотидные цепочки, спирально закрученные антипараллельно относительно друг друга. | Одна короткая полинуклеотидная цепочка. | Мононуклеотид. |
| Мономеры. | Дезоксирибонуклеотиды. | Рибонуклеотиды. | Нет |
| Состав нуклеотида. | 1) азотистое основание - А, Г, Ц, Т, 2)углевод - дезоксирибоза 3)остаток фосфорной кислоты | 1)азотистое основание - А, Г, Ц, У, 2)углевод - рибоза 3) остаток фосфорной кислоты | 1)азотистое основание - А, 2)углевод 1 рибоза 3)три остатка фосфорной кислоты |
| Типы нуклеотидов. | Адениловый (А) Гуаниловый (Г) Цитидиловый (Ц) Тимидиловый (Т) | Адениловый (А) Гуаниловый (Г) Цитидиловый (Ц) Урациловый (У) | Адениловый (А) |
| Свойства. | 1) Способна к редуплекации или репликации (удвоению) по принципу комплеметарности (взаимодополняемость или соответствие) т.е. образование водородных святей между А-Т, Г-Ц, 2) Стабильна (не меняет место нахождения). | 1)Неспособна к редуплекации, кроме РНК вирусов, 2) Лабильна (переходит из ядра в цитоплазму). | В результате гидролиза от АТФ по одному отщепляются остатки фосфорной кислоты и высвобождается энергия. АТФ-АДФ-АМФ |
| Функции. | 1) Хранит, передаёт и воспроизводит генетическую информацию 2) Регулирует жизнедеятельность клетки. | 1) Участвует в биосинтезе белка а) и-РНК и м-РНК переносят генетическую информацию от ДНК к месту синтеза белка, б) р-РНК образует рибосому, в) т-РНК находит и переносит аминокислоты к месту синтеза белка, 2) в-РНК хранит, передаёт и воспроизводит генетическую информацию вируса. | 1) Энергетическая. |
| Особенности. | 1) Ядерная ДНК длинная, связана с белками и образует линейную хромосому. 2) Митохондриальная короткая и кольцевая, связана с белками и образует кольцевую хромосому. 3) У прокариот ДНК замкнута в кольцо, не связана с белками и не образует хромосому. | 1) Двухцепочечные РНК встречаются у некоторых вирусов. 2) 5 видов РНК: и-РНК информационная. м-РНК матричная, р-РНК рибосомная, т-РНК транспортная, в-РНК вирусная | 1) Остатки фосфорной кислоты соединены между собой макроэргическими (высокоэнергетическими) связями. 2) Молекула АТФ неустойчива, существует менее 1 минуты, восстанавливается и расщепляется 2400 раз в сутки. |
Репликация ДНК, генетический код, реализация генетической информации.
3.1. Репликация ДНК . Поскольку ДНК является молекулой наследственности, то для реализации этого свойства она должна точно копировать саму себя и таким образом сохранять имеющуюся в исходной молекуле ДНК информацию в виде определённой последовательности нуклеотидов. Это обеспечивается за счёт особого процесса, который называется репликацией или редупликацией.
Репликация - это удвоение молекулы ДНК. В основе репликации лежат правила Эдвина Чаргаффа (А+Г=Т+Ц) т.е. сумма пуриновых оснований равна сумме пиримидиновых оснований. Строгое соответствие нуклеотидов друг другу в парных цепочках ДНК называется комплементарностью (взаимодополняемостью).
Этапы репликации:
| № | Этапы репликации. |
| Специальные ферменты раскручивают двойную спираль молекулы ДНК и разрывают водородные связи между цепочками. | |
| Фермент ДНК-полимераза движется вдоль одной цепочки ДНК от 3 атома углерода к 5 атому и по правилу комплементарности (А-Т, Г-Ц) присоединяет соответствующие нуклеотиды. Эта цепочка называется лидирующей, её удвоение идет непрерывно. | |
| Вторая цепочка отстающая расположена антипаралельно первой, а ДНК-полимераза 1 может двигаться только в одном направлении от З атома углерода к 5 атому, следовательно, она копируется отдельными фрагментами по мере раскручивания молекулы ДНК. Фрагменты сшиваются специальными ферментами - лигазами по принципу антипараллельности. | |
| После репликации каждая молекула ДНК содержит одну «материнскую» цепочку и вторую вновь синтезированную «дочернюю». Такой принцип синтеза называется полуконсервативным, т.е. одна цепочка в новой молекуле ДНК «старая», а вторая «новая». |
Генетический код.
Для молекулы наследственности, которой является ДНК, свойственно не только самоудвоение (репликация), но и кодирование информации с помощь определённой последовательности нуклеотидов. Известно, что ДНК состоит из четырёх видов нуклеотидов, то есть информация в ДНК записывается 4 буквами (А, Т, Г, Ц). Математические расчёты показывают, что
1. Если использовать 1 нуклеотид, то получим 4 разных сочетания, 4<20.
2. Если использовать 2 нуклеотида, то получим 16 разных сочетаний (4 2 =16), 16<20.
- Если использовать 3 нуклеотида, то получим 64 разных сочетания (4 3 =64), 64>20.
Таким образом, комбинации из 3 нуклеотидов будет достаточно, чтобы закодировать 20 аминокислот. Из 64 возможных триплетов 61 триплет кодирует 20 незаменимых аминокислот, обнаруженных в составе клеточных белков, а 3 триплета являются стоп- сигналами или терминаторами, которые прекращают считывание информации.
Сочетания из трёх нуклеотидов, кодирующие определённые аминокислоты, называются кодом ДНК, или генетическим кодом. В настоящее время генетический код полностью расшифрован, то есть известно, какие триплетные сочетания нуклеотидов кодируют 20 аминокислот. Пользуясь комбинацией, состоящей из трёх нуклеотидов, можно закодировать больше аминокислот, чем необходимо для кодирования 20 аминокислот. Оказалось, что каждая аминокислота может кодироваться несколькими триплетами, кроме метионина и триптофана. Аминокислоты входящие в состав природных белков могут относится к разным группам, заменимые кислоты (З), незаменимые (НЗ).
Генетический код - это система записи генетической информации в ДНК в виде определённой последовательности нуклеотидов (или способ записи последовательности аминокислот в белке с помощью нуклеотидов).
Генетический код обладает несколькими свойствами (7 свойств).