1. Будова і функції ДНК
2. Реплікація (редуплікація) ДНК
3. Репарація ( «ремонт»)
4. Будова і функції РНК
5. Будова і функції АТФ

До нуклеїнових кислот відносять високополімерні з'єднання, що розпадаються при гідролізі на пуринові і піримідинові підстави, пентозу і фосфорну кислоту. Нуклеїнові кислоти містять вуглець, водень, фосфор, кисень і азот. Розрізняють два класи нуклеїнових кислот: РНК (РНК) і дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК).

Будова і функції ДНК

ДНК - полімер, мономерами якої є дезоксирибонуклеотидів. Модель просторової будови молекули ДНК у вигляді подвійної спіралі була запропонована в 1953 р Дж. Уотсоном і Ф. Криком (для побудови цієї моделі вони використовували роботи М. Уїлкинса, Р. Франклін, Е. Чаргаффа).

Молекула ДНК утворена двома полінуклеотидні ланцюгами, спірально закрученими один біля одного і разом навколо уявної осі, тобто являє собою подвійну спіраль (виняток - деякі ДНК-віруси мають одноцепочечную ДНК). Діаметр подвійної спіралі ДНК - 2 нм, відстань між сусідніми нуклеотидами - 0,34 нм, на один оборот спіралі доводиться 10 пар нуклеотидів. Довжина молекули може досягати декількох сантиметрів. Молекулярний вага - десятки і сотні мільйонів. Сумарна довжина ДНК ядра клітини людини - близько 2 м. У клітині ДНК утворює комплекси з білками і має специфічну просторову конформацію.

Мономер ДНК - нуклеотид (дезоксірібонуклеотідов) - складається із залишків трьох речовин: 1) азотистої основи, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентози) і 3) фосфорної кислоти. Азотисті основи нуклеїнових кислот відносяться до класів піримідинів і пуринів. Піримідинові підстави ДНК (мають в складі своєї молекули одне кільце) - тимін, цитозин. Пуринові основи (мають два кільця) - аденін і гуанін.

Моносахарид нуклеотиду ДНК представлений дезоксирибозою.

Назва нуклеотиду є похідним від назви відповідного підстави. Нуклеотиди і азотисті основи позначаються великими літерами.

Азотистих основ Назва нуклеотиду Позначення Аденін аденілові А (A) Гуанін гуанілова Г (G) Тимин тіміділових Т (T) Цитозин Цітіділовий Ц (C)

Полинуклеотидная ланцюг утворюється в результаті реакцій конденсації нуклеотидів. При цьому між 3'-вуглецем залишку дезоксирибози одного нуклеотиду і залишком фосфорної кислоти іншого виникає фосфоефірную зв'язок (відноситься до категорії міцних ковалентних зв'язків). Один кінець полінуклеотидних ланцюга закінчується 5'-вуглецем (його називають 5'-кінцем), інший - 3'-вуглецем (3'-кінцем).

Проти одного ланцюга нуклеотидів розташовується другий ланцюг. Розташування нуклеотидів в цих двох ланцюгах не випадковий, а чітко визначений: проти аденіну одного ланцюга в інший ланцюга завжди розташовується тимін, а проти гуаніну - завжди цитозин, між аденином і тиміном виникають дві водневі зв'язку, між гуаніном і цитозином - три водневі зв'язку. Закономірність, згідно з якою нуклеотиди різних ланцюгів ДНК строго впорядковано розташовуються (аденін - тимін, гуанін - цитозин) і вибірково з'єднуються один з одним, називається принципом комплементарності. Слід зазначити, що Дж. Уотсон і Ф. Крик прийшли до розуміння принципу комплементарності після ознайомлення з роботами Е. Чаргаффа. Е. Чаргафф, вивчивши величезну кількість зразків тканин і органів різних організмів, встановив, що в будь-якому фрагменті ДНК вміст залишків гуаніну завжди точно відповідає змісту цитозину, а аденіну - тимін ( «правило Чаргаффа»), але пояснити цей факт він не зміг.

З принципу комплементарності слід, що послідовність нуклеотидів одного ланцюга визначає послідовність нуклеотидів інший.

Ланцюги ДНК антіпараллельни (різноспрямовані), тобто нуклеотиди різних ланцюгів розташовуються в протилежних напрямках, і, отже, навпаки 3'-кінця одного ланцюга знаходиться 5'-кінець інший. Молекулу ДНК іноді порівнюють з гвинтовими сходами. «Перила» цих сходів - сахарофосфатний остов (чергуються залишки дезоксирибози і фосфорної кислоти); "Сходинки" - комплементарні азотисті основи.

Функція ДНК - зберігання і передача спадкової інформації.

Реплікація (редуплікація) ДНК

Реплікація ДНК - процес самоудвоения, головна властивість молекули ДНК. Реплікація відноситься до категорії реакцій матричного синтезу, йде за участю ферментів. Під дією ферментів молекула ДНК розкручується, і біля кожної ланцюга, яка виступає в ролі матриці, по принципам комплементарності і антипаралельності добудовується нова ланцюг. Таким чином, в кожної дочірньої ДНК одна ланцюг є материнською, а друга - знову синтезованої. Такий спосіб синтезу називається напівконсервативним.

«Будівельним матеріалом» і джерелом енергії для реплікації є дезоксирибонуклеозидтрифосфатов (АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ), що містять три залишку фосфорної кислоти. При включенні дезоксирибонуклеозидтрифосфатов в полінуклеотидних ланцюг два кінцевих залишку фосфорної кислоти відщеплюються, і звільнилася енергія використовується на освіту фосфодіефірних зв'язку між нуклеотидами.

У реплікації беруть участь наступні ферменти:

1. гелікази ( «розплітає» ДНК);
2. дестабілізуючі білки;
3. ДНК-топоізомерази (розрізають ДНК);
4. ДНК-полімерази (підбирають дезоксирибонуклеозидтрифосфатов і комплементарно приєднують їх до матричного ланцюга ДНК);
5. РНК-ПРАЙМАЗИ (утворюють РНК-затравки, праймери);
6. ДНК-лігази (зшивають фрагменти ДНК).

За допомогою геліказу в певних ділянках ДНК розплітається, одноцепочечниє ділянки ДНК зв'язуються дестабілізуючими білками, утворюється репликационная вилка. При розбіжності 10 пар нуклеотидів (один виток спіралі) молекула ДНК повинна зробити повний оборот навколо своєї осі. Щоб запобігти цьому обертання ДНК-топоізомераза розрізає один ланцюг ДНК, що дає їй можливість обертатися навколо другого ланцюга.

ДНК-полімераза може приєднувати нуклеотид тільки до 3'-вуглецю дезоксирибози попереднього нуклеотиду, тому даний фермент здатний пересуватися по матричної ДНК тільки в одному напрямку: від 3'-кінця до 5'-кінця цієї матричної ДНК. Так як в материнській ДНК ланцюга антіпараллельни, то на її різних ланцюгах збірка дочірніх полінуклеотидних ланцюгів відбувається по-різному і в протилежних напрямках. На ланцюга 3'-5 'синтез дочірньої полінуклеотидних ланцюга йде без перерв; ця дочірня ланцюг буде називатися лідируючої. На ланцюга 5'-3 '- переривчасто, фрагментами (фрагменти Окадзакі), які після завершення реплікації ДНК-лігази зшиваються в один ланцюг; ця дочірня ланцюг буде називатися запізнілої (відстає).

Особливістю ДНК-полімерази є те, що вона може починати свою роботу тільки з «затравки» (праймера). Роль «запалів» виконують короткі послідовності РНК, утворені за участю ферменту РНК-ПРАЙМАЗИ і спарені з матричної ДНК. РНК-затравки після закінчення складання полінуклеотидних ланцюжків видаляються.

Реплікація протікає схоже у прокаріотів і еукаріотів. Швидкість синтезу ДНК у прокаріотів на порядок вище (1000 нуклеотидів в секунду), ніж у еукаріот (100 нуклеотидів в секунду). Реплікація починається одночасно в декількох ділянках молекули ДНК. Фрагмент ДНК від однієї точки початку реплікації до іншої утворює одиницю реплікації - реплікон.

Реплікація відбувається перед поділом клітини. Завдяки цій здатності ДНК здійснюється передача спадкової інформації від материнської клітини дочірнім.

Репарація ( «ремонт»)

Репарацією називається процес усунення пошкоджень нуклеотидноїпослідовності ДНК. Здійснюється особливими ферментними системами клітини (ферменти репарації). В процесі відновлення структури ДНК можна виділити наступні етапи: 1) ДНК-репаруючу нуклеази розпізнають і видаляють пошкоджену ділянку, в результаті чого в ланцюзі ДНК утворюється пролом; 2) ДНК-полімераза заповнює цю прогалину, копіюючи інформацію з другої ( «хорошою») ланцюга; 3) ДНК-лігаза «зшиває» нуклеотиди, завершуючи репарацію.

Найбільш вивчені три механізму репарації: 1) фоторепарація, 2) ексцізная, або дореплікатівная, репарація, 3) постреплікатівной репарація.

Зміни структури ДНК відбуваються в клітці постійно під дією реакційно-здатних метаболітів, ультрафіолетового випромінювання, важких металів і їх солей і ін. Тому дефекти систем репарації підвищують швидкість мутаційних процесів, є причиною спадкових захворювань (пігментна ксеродерма, прогерія і ін.).

Будова і функції РНК

РНК - полімер, мономерами якої є рибонуклеотиди. На відміну від ДНК, РНК утворена не двома, а однією полинуклеотидной ланцюжком (виняток - деякі РНК-віруси мають двухцепочечную РНК). Нуклеотиди РНК здатні утворювати водневі зв'язки між собою. Ланцюги РНК значно коротше ланцюгів ДНК.

Мономер РНК - нуклеотид (рибонуклеотид) - складається із залишків трьох речовин: 1) азотистої основи, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентози) і 3) фосфорної кислоти. Азотисті основи РНК також відносяться до класів піримідинів і пуринів.

Піримідинові підстави РНК - урацил, цитозин, пуринові основи - аденін і гуанін. Моносахарид нуклеотиду РНК представлений рибозой.

Виділяють три види РНК: 1) інформаційна (матрична) РНК - іРНК (мРНК), 2) транспортна РНК - тРНК, 3) рибосомная РНК - рРНК.

Всі види РНК являють собою нерозгалужені полінуклеотіди, мають специфічну просторову конформацію і беруть участь в процесах синтезу білка. Інформації про будову всіх видів РНК зберігається в ДНК. Процес синтезу РНК на матриці ДНК називається транскрипцією.

Транспортні РНК містять зазвичай 76 (від 75 до 95) нуклеотидів; молекулярна маса - 25 000-30 000. На частку тРНК припадає близько 10% від загального вмісту РНК в клітині. Функції тРНК: 1) транспорт амінокислот до місця синтезу білка, до рибосом, 2) трансляційний посередник. У клітці зустрічається близько 40 видів тРНК, кожен з них має характерну тільки для нього послідовність нуклеотидів. Однак у всіх тРНК є кілька внутрішньо молекулярних комплементарних ділянок, через які тРНК набувають конформацию, що нагадує за формою лист конюшини. У будь-тРНК є петля для контакту з рибосомою (1), антикодоновая петля (2), петля для контакту з ферментом (3), акцепторні стебло (4), антикодон (5). Амінокислота приєднується до 3'-кінця акцепторного стебла. Антикодон - три нуклеотиду, «опознающие» кодон іРНК. Слід підкреслити, що конкретна тРНК може транспортувати строго певну амінокислоту, яка відповідає її антикодону. Специфічність з'єднання амінокислоти і тРНК досягається завдяки властивостям ферменту аміноацил-тРНК-синтетаза.

Хвороби містять 3000-5000 нуклеотидів; молекулярна маса - 1 000 000-1 500 000. На частку рРНК припадає 80-85% від загального вмісту РНК в клітині. У комплексі з рибосомні білками рРНК утворює рибосоми - органели, які здійснюють синтез білка. У клітині синтез рРНК відбувається в ядерцях. Функції рРНК: 1) необхідний структурний компонент рибосом і, таким чином, забезпечення функціонування рибосом; 2) забезпечення взаємодії рибосоми і тРНК; 3) початкове зв'язування рибосоми і кодону-ініціатора іРНК і визначення рамки зчитування, 4) формування активного центру рибосоми.

Інформаційні РНК різноманітні за змістом нуклеотидів і молекулярної масі (від 50 000 до 4 000 000). На частку іРНК припадає до 5% від загального вмісту РНК в клітині. Функції іРНК: 1) перенесення генетичної інформації від ДНК до рибосом, 2) матриця для синтезу молекули білка, 3) визначення амінокислотної послідовності первинної структури білкової молекули.

Будова і функції АТФ

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) - універсальний джерело і основний акумулятор енергії в живих клітинах. АТФ міститься в усіх клітинах рослин і тварин. Кількість АТФ в середньому становить 0,04% (від сирої маси клітини), найбільша кількість АТФ (0,2-0,5%) міститься в скелетних м'язах.

АТФ складається із залишків: 1) азотистої основи (аденіну), 2) моносахарида (араб), 3) трьох фосфорних кислот. Оскільки АТФ містить не один, а три залишку фосфорної кислоти, вона відноситься до рібонуклеозідтріфосфатов.

Для більшості видів робіт, що відбуваються в клітинах, використовується енергія гідролізу АТФ. При цьому при відщепленні кінцевого залишку фосфорної кислоти АТФ переходить в АДФ (аденозіндіфосфорная кислоту), при відщепленні другого залишку фосфорної кислоти - в АМФ (аденозинмонофосфорной кислоту). Вихід вільної енергії при відщепленні як кінцевого, так і другого залишків фосфорної кислоти становить по 30,6 кДж. Відщеплення третьої фосфатної групи супроводжується виділенням тільки 13,8 кДж. Зв'язки між кінцевим і другим, другим і першим залишками фосфорної кислоти називаються макроергічними (високоенергетичними).

Запаси АТФ постійно поповнюються. У клітинах всіх організмів синтез АТФ відбувається в процесі фосфорилювання, тобто приєднання фосфорної кислоти до АДФ. Фосфорилювання відбувається з різною інтенсивністю при диханні (мітохондрії), гликолизе (цитоплазма), фотосинтезі (хлоропласти).

АТФ є основною сполучною ланкою між процесами, що супроводжуються виділенням і накопиченням енергії, і процесами, що протікають з витратами енергії. Крім цього, АТФ поряд з іншими рібонуклеозідтріфосфатов (ГТФ, ЦТФ, УТФ) є субстратом для синтезу РНК.

• Перейти до лекції №3 «Будова і функції білків. ферменти »

• Перейти до лекції №5 «Клітинна теорія. Типи клітинної організації »

• дивитися зміст (Лекції №1-25)