Роль нуклеотидов в осуществлении процессов жизнедеятельности организмов доклад

Обновлено: 25.06.2024

(Для проведения урока необходим: модель ДНК, компьютер, проектор или большой экран, диск Электронные уроки и тесты, серия Биология в школе – Наследование признаков – урок №5 – Тайна структуры нуклеиновой кислоты.)

Изучение нового материала .

Нуклеиновые кислоты (НК) – самые крупные из молекул, образуемых живыми организмами.

В 1871 г. Фридрих Мешер выделил из ядер клеток гноя вещество, содержащее много фосфора, и назвал его нуклеиком (от лат. “нуклеус” – “ядро”). Позже эти вещества стали называть нуклеиновыми кислотами.

Давайте вспомним, какова роль ядра в клетке?

НК – это биополимеры, состоящие из мономеров – нуклеотидов.

Нуклеотид состоит из фосфатной группы, пятиуглеродного сахара (пентозы) и азотистого основания – рис. 17 стр.48 учебника.

На одном конце расположен связанный с пятым атомом пентозы фосфат – 5' -конец (“пять штрих”), на другом конце остаётся не связанная с фосфатом ОН– группа третьего атома углерода – 3' -конец (“три штрих”) .

В зависимости от вида пентозы различают:

Молекула ДНК имеет сложное строение.

История расшифровки структуры.

Первой фазой стала расшифровка структуры ДНК. Работы Розалинды Франклин, получившей изображение ДНК с помощью рентгеновских лучей, дали важную информацию. Было установлено, что ДНК имеет форму спирали, состоящей из 2-х или 3-х нитей, обвивающих друг друга.

В 1950-м Эрвин Чаргаф доказал, что количество аденина равно количеству тимина , а количество гуанина равно цитозину.

В 1952 году двое учёных Джеймс Уотсон и Френсис Крик объединились за работой над построением модели ДНК, используя работы Р. Франклин и др. учёных. Их первая попытка провалилась. Через год они возобновили работу. 2 апреля 1953 года в журнале “Природа” появилась статья: “Молекулярная структура нуклеиновой кислоты”, в которой Уотсон и Крик описали структуру ДНК.

ДНК состоит из 2-х спирально закрученных цепей, которые по всей длине соединены друг с другом водородными связями, такая структура называется – двойной спиралью.

Нуклеотиды – основной компонент структуры ДНК. Они состоят из: фосфатной группы, пентозы – дезоксирибозы, азотистого основания .

ДНК может содержать одно из четырёх азотистых оснований (определяющих название нуклеотида):

Фрагмент электронного урока: “Тайна структуры нуклеиновой кислоты” (стр.3 и 4) и рис.18 стр. 49 учебника.

Длинная цепочка ДНК состоит из миллионов нуклеотидов, связанных между собой – это первичная структура ДНК.

Азотистые основания соседствующих цепочек соединяются попарно водородными связями: гуанин только с цитозином, аденин только с тимином – принцип комплементарности.

Между гуанином и цитозином образуются 3 водородные связи, а аденином и тимином две.

Г? Ц ; Ц? Г А= Т ; Т= А

Зная порядок нуклеотидов в одной цепочки ДНК, легко определить их порядок в др. цепочке, образующей молекулу. Следовательно, у каждого организма число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых – числу цитидиловых.

Цепочки ДНК идут в противоположных направлениях, т.е. “вверх ногами” относительно друг друга – антипараллельно. Пространственное расположение цепочек ДНК образуют её вторичную структуру – модель ДНК.

Решим задачу на стр. 53 учебника: фрагмент одной цепи ДНК имеет следующий состав: А – А – Г – Г – Ц – Ц –Ц – Т – Т -. Используя принцип комплементарности, достройте вторую цепь.

Самостоятельное изучение обучающимися функций ДНК (стр. 50 учебника) с написанием вывода в тетрадях (генетический код).

Помимо ДНК в клетках содержатся ещё один тип НК –

Рибонуклеиновая кислота (РНК).

Молекулы РНК – одноцепочечные, однако в некоторых местах РНК сворачиваются и образуют фрагменты, параллельные один другому. В таких местах азотистые основания соединяются и РНК приобретает форму двойной спирали. Принцип комплементарности действует и здесь, но аденин образует пару с урацилом. Такая структура называется шпилькообразной (рис.20 стр.52 учебника).

РНК – полинуклеотид, состоящий из одной цепочки.

Нуклеотиды РНК отличаются от нуклеотидов ДНК: сахаром – рибоза и одним азотистым основанием – урацил (нуклеотид – урациловый) вместо тимина.

Молекулы РНК меньше чем ДНК, могут содержать от 75 до10 000 нуклеотидов.

Фрагмент электронного урока: “Тайна структуры нуклеиновой кислоты” (стр.8) и рис.19 стр. 51 учебника.

Фрагмент электронного урока: “Тайна структуры нуклеиновой кислоты” (стр.9).

Рибо- и дезоксирибонуклеиновая кислоты: строение, биологическая роль хранителя генома. Образование нуклеотидов, их последовательность в хромосоме. Кодирование полипептида, создание модели филогенеза. Значение ДНК и РНК в передаче генетической информации.

Рубрика	Биология и естествознание
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	02.03.2018
Размер файла	1,6 M

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Код строения одного белка называется ген. Ген является участком хромосомы. Каждая хромосома -- это молекула нуклеиновой кислоты - ДНК.

В природе существует два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). ДНК является хранителем информации, РНК -- переносит и расшифровывает биологическую информацию

Нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК

Биологическая роль нуклеиновых кислот

Существуют два вида нуклеиновых кислот дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК).

Биологическая роль ДНК

Цитогенетические исследования в 20-30-х гг. 20 в. свидетельствовали о том, что передача и хранение наследственных признаков связаны с хромосомами, находящимися в ядерном веществе. То, что наследственным веществом является именно ДНК, а не белок, стало ясным в результате исследований, проведенных в 40-х гг. 20 в. на бактериях и бактериофагах.

В 1944 г. Эйвери, Мак-Лауд и Мак-Карти установили природу трансформирующего фактора у бактерий. Им оказалась ДНК. Процесс трансформации состоит, несомненно, из ряда стадий: обратимой сорбции молекул ДНК бактериальной клеткой; внедрения этих молекул внутрь клетки; интеграции молекулы чужой ДНК в хромосому клетки, расщепления образовавшейся сложной структуры и ее перехода в рекомбинанты.

При исследовании бактериальных вирусов под электронным микроскопом или при помощи радиоактивной метки, вводимой в белок или в ДНК бактериофага, было показано, что вирус, фиксируясь на поверхности бактериальной клетки, вводит в нее только молекулу ДНК, оставляя снаружи свою белковую оболочку. Молекула ДНК вируса, попавшая в клетку, несущая в себе всю наследственную информацию (геном) вируса, вызывает образование в клетке новых вирусных частиц, их размножение и гибель клетки от лизиса.

Фото: Duncan Hull

Некоторые, так называемые умеренные, фаги у части бактериальных клеток не вызывают явных признаков заражения, однако их ДНК, попадая в клетку, прочно связывается с геномом самой бактерии, интегрируясь с ДНК бактериальной клетки. Многие поколения таких бактерий несут в себе бактериофаг в скрытом виде, не проявляя признаков нарушения жизнедеятельности. Однако при неблагоприятных условиях и при действии каких-либо повреждающих факторов, например ионизирующей или ультрафиолетовой радиации, вирус в таких бактериях начинает размножаться и вызывает лизис (гибель) бактерий. ДНК вируса настолько прочно связывается с ДНК бактерий, что заражение вирусом, полученным от лизогенных бактерий, сопровождается переносом вместе с ДНК вируса части ДНК бактерий, с которой передаются некоторые наследственные свойства этих бактерий, отсутствующие и у вновь заражаемых бактерий, и у самого вируса. Это явление, сходное с трансформацией, получило название трансдукции.

Последовательность нуклоотидов в цепи ДНК переписывается в комплементарную ей последовательность нуклеотидов в молекуле РНК -- так называемая транскрипция. Процесс этот осуществляется при участии фермента РНК-полимеразы. Генетическая информация, переписанная с ДНК на РНК, в конечном счете, определяет первичную структуру (последовательность аминокислотных остатков в строящейся молекуле белка). При помощи электронной микроскопии удалось увидеть рост цепей РНК на матрице ДНК, то есть работу гена на уровне транскрипции.

В процессе реализации или выражения генов имеет место кодирование генетической информации. Показано, что три последовательно расположенных нуклеотидных остатка (триплет) в цепи ДНК кодируют комплементарный триплет в цепи РНК, который в свою очередь контролирует включение одной, строго определенной аминокислоты в полипептидную цепь синтезирующегося белка. Установлено, что полипептидная цепь синтезируется колинеарно с ДНК, то есть в соответствии с линейным расположением триплетов ДНК. Известно, какие именно триплеты кодируют включение каждой аминокислоты.

Последовательность нуклеотидов ДНК, кодирующая образование определенной полипептидной цепи, представляет собой структурный ген, или цистрон. Изменение даже одной пары нуклеотидов в цистроне (точковая мутация) может привести к изменению структуры белка и потере им биологического активности. Такие точковые мутации могут представлять собой транзиции (замену пары нуклеотндов ГЦ на AT или наоборот), трансверсии (замена AT на ТА или ГЦ на ЦГ, то есть перемещение комплементарных оснований из одной цепи в другую), вставки пары нуклеотидов или их делецию (выпадение). Трансверсии и транзиции приводят обычно к замене одной аминокислоты в строящейся полипептидной цепи, тогда как вставки и делении вызывают изменение порядка считывания и приводят к глубокому нарушению структуры белка. Вставка же или делеция сразу трех пар нуклеотидов, то есть целого триплета, восстанавливает последовательность считывания, что и послужило одним из важнейших доказательств триплетности кода.

У высших организмов количество ДНК на геном достаточно для кодирования миллионов белков. В действительности число генов у человека и высших животных по крайней мере на порядок ниже и находится, по-видимому, между 10 000 и 100 000. Огромное количество избыточной ДНК, таким образом, не несет структурных генов и выполняет иные функции. Оказалось, что часть ДНК вообще не участвует в процессе транскрипции, а преобладающая часть РНК, синтезированной на матрице ДНК у высших организмов, претерпевает распад внутри клеточного ядра, не участвуя в синтезе клеточных белков. В связи с этим Г.П. Георгиевым была высказана гипотеза, согласно которой оперон (последовательность генов, контролирующих синтез ферментов, участвующих в катализе всех этапов одного и того же процесса) у высших организмов содержит большое число регуляторных генов, расположенных в начале считывания. Синтезирующаяся на таком опероне гигантская молекула РНК распадается в процессе ее переноса в цитоплазму, куда поступает только собственно информационная РНК, содержащая структурные гены и кодирующая синтез клеточных белков. Остальная часть этой РНК имеет регуляторные функции и распадается внутри ядра.

Особенностью высших организмов является также дифференцировка клеток и тканей. Гены, содержащиеся в ДНК каждой диплоидной клетки одного и того же организма (геном), качественно и количественно совершенно одинаковы, однако тот факт, что разные ткани и клетки резко различны по своему составу, строению и функциям, объясняется тем, что в них синтезируются неодинаковые белки. Таким образом, помимо регуляции активности действующих генов, при дифференцировке имеет место выключение или блокирование большей части генов, причем обычно активной остается небольшая часть генома, а в некоторых случаях синтезируется лишь один или несколько белков, например синтез гемоглобина в ретикулоцитах. Механизмы диффе-ронцпровкп во многом не ясны, однако показано, что белки, входящие в состав дезокснрибонуклеопротеидов хроматина, оказывают выраженное действие на транскрипцию. Гистоны подавляют этот процесс, а кислые белки могут активировать его. Неактивные участки хроматина цитологически представляются более плотными, а в процессе транскрипции, напротив, хроматин выглядит более рыхлым и нити ДНК, по-видимому, частично отделяются от гистонов. Различными методами показано, что транскрипция ДНК происходит в разрыхленных участках хроматина, в так называемых пуфах, представляющих собой вздутие хромосом в области действующих генов.

Как же устроены нуклеиновые кислоты?

Откуда же появляются нуклеотиды для осуществления процессов деления?

Обычно мы получаем нуклеиновые кислоты с пищей, так как поедаем органические вещества.

Нуклеиновые кислоты имеются в любой пище. Клетка с кровью получает эти простые вещества, синтезирует из них нуклеотиды, обеспечивая процесс удвоения ДНК. При недостаточном поступлении с пищей, клетки захватывают из межклеточного пространства фрагменты отживших и разрушенных ДНК из погибших клеток. Синтез нуклеотидов и нуклеиновых кислот -- один из наиболее активных процессов в клетке и уступает по активности только синтезу белка. Воспроизводство нуклеотидов и нуклеиновых кислот требует значительного количества пластических веществ -- азотистых оснований, а также углеводов, фосфатов. Обмен нуклеиновых кислот в клетке первичен и архиважен. Он обеспечивает обновление клеток, полноценность их структуры и функциональную состоятельность. Но пищеварительный процесс разделяет большие молекулы нуклеиновых кислот на моносоединения (пуриновые основания, сахара и фосфорную кислоту). Именно эти простые вещества и оказываются в крови, а затем клетки используют их для построения собственных нуклеиновых кислот. Этот процесс весьма продуктивен в детстве, юности, ранней молодости. Поэтому у молодых людей так активны физиологические процессы, легкое восстановление после болезней и травм, молодым неизвестно чувство усталости. С возрастом все меняется: все чаще ощущается утомление, все трудней дается длительная физическая и умственная активность, появляются хронические болезни. Причина проста: снижение скорости обновления клеток, возрастающий дефицит нуклеиновых кислот. Необходимо отметить, что недостаток нуклеиновых кислот имеет место в любом возрасте при состояниях, требующих интенсивного деления клеток: при тяжелых болезнях, инфекциях, травмах, оперативных вмешательствах. Последствия дефицита нуклеиновых кислот выливаются в патологические состояния:

· нарушается обмен белков, а значит и качество структуры и функций отдельных клеток и тканей;

· нарушается обмен липидов (в том числе холестерина);

· нарушается обмен углеводов, что приводит, прежде всего, к дефициту энергии в каждой клетке;

· страдают функции органов, отличающихся высокой скоростью деления клеток -- слизистых оболочек, печени, лимфоидных органов, кишечника, костного мозга;

· изменяется деятельность клеток головного мозга, весьма чувствительных к дефициту энергии и белков (синдром хронической усталости);

· проявляются заболевания и дегенеративные изменения внутренних органов;

· появляются и усугубляются дисфункции иммунного контроля.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)

нуклеиновый полипептид геном хромосома

Роль хранителя наследственной информации у всех клеток - животных и растительных - принадлежит ДНК. Схема строения ДНК изображена на рисунке. Молекула ДНК представляет собой две спирально закрученные одна вокруг другой нити. Ширина такой двойной спирали ДНК невелика, около 2 нм. Длина же ее в десятки тысяч раз больше - она достигает сотен тысяч нанометров. Между тем самые крупные белковые молекулы в развернутом виде достигают в длину не более 100-200 нм. Таким образом, вдоль молекулы ДНК могут быть уложены одна за другой тысячи белковых молекул. Молекулярная масса ДНК соответственно исключительно велика - она достигает десятков и даже сотен миллионов.

Рис. 2. Схема строения ДНК (двойная спираль)

Обратимся к структуре ДНК. Каждая нить ДНК представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Нуклеотид - это химическое соединение остатков трех веществ: азотистого основания, углевода (моносахарида - дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. ДНК всего органического мира образованы соединением четырех видов нуклеотидов. Их структуры приведены на рисунке. Как видно, у всех четырех нуклеозидов углевод и фосфорная кислота одинаковы.

Рис. 3. Четыре нуклеотида, из которых построены все ДНК живой природы

Нуклеотиды отличаются только по азотистым основаниям, в соответствии с которыми их называют: нуклеотид с азотистым основанием аденин (сокращенно А), нуклеотид с гуанином (Г), нуклеотид с тимином (Т) и нуклеотид с цитозином (Ц). По размерам А ранен Г, а Т равен Ц; размеры А и Г несколько больше, чем Т и Ц.

Соединение нуклеотидов в нити ДНК происходит через углевод одного нуклеотида и фосфорную кислоту соседнего. Они соединяются прочной ковалентной связью.

Рис. 4. Соединение нуклеотидов в полинуклеотидную цепь

Итак, каждая нить ДНК представляет собой полинуклеотид. Это длинная цепь, в которой в строго определенном порядке расположены нуклеотиды.

Рис. 5. Участок двойной спирали ДНК

Рассмотрим теперь, как располагаются относительно друг друга нити ДНК, когда образуется двойная спираль, и какие силы сдерживают их рядом. Представление об этом дает рисунок 4, на котором изображен небольшой участок двойной спирали.

Большое число водородных связей обеспечивает прочное соединение нитей ДНК, что придает молекуле устойчивость и в то же время сохраняет ее подвижность: под влиянием фермента дезоксирибонуклеазы она легко раскручивается.

ДНК содержится в ядре клетки, а также в митохондриях и хлоропластах. В ядре ДНК входит в состав хромосом, где она находится в соединении с белками.

Удвоение ДНК

Принцип комплементарности, лежащий а основе структуры ДНК, позволяет понять, как синтезируются новые молекулы ДНК незадолго перед делением клетки. Этот синтез обусловлен замечательной способностью молекулы ДНК к удвоению и определяет передачу наследственных свойств от материнской клетки к дочерним.

Рис. 6. Удвоение ДНК

Как происходит удвоение ДНК, показано на рисунке 78. Двойная спираль ДНК под влиянием фермента начинает с одного конца раскручиваться, и на каждой цепи из находящихся в окружающей среде свободных нуклеотидов собирается новая цепь. Сборка новой цепи идет в точном соответствии с принципом комплементарности. Против каждого А встает Т, против ГЦ и т.д. В результате вместо одной молекулы ДНК возникают две молекулы такого же точно нуклеотидного состава, как и первоначальная. Одна цепь в каждой вновь образовавшейся молекуле ДНК происходит из первоначальной молекулы, а другая синтезируется вновь.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК)

Структуры РНК сходны со структурами ДНК. РНК, как и ДНК, полинуклеотиды, но, в отличие от ДНК, молекула РНК одноцепочечная. Как и в ДНК, структура РНК создается чередованием четырех типов нуклеотидов, но состав нуклеотидов РНК несколько отличается от нуклеотидов ДНК, т. е. углевод в РНК не дезоксирибоза, а рибоза, отсюда и название РНК - рибонуклеиновая кислота. Кроме того, в РНК вместо азотистого основания тимина входит другое, близкое по строению основание, называемое урацилом (У).

В клетке имеется несколько видов РНК. Все они участвуют в синтезе белка. Первый вид - транспортные РНК (т-РНК). Это самые маленькие по размерам РНК. Они связывают аминокислоты и транспортируют их к месту синтеза белка. Второй вид - информационные РНК (и-РНК). По размерам они раз в 10 больше т-РНК. Их функция состоит в переносе информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка. Третий вид - рибосомные РНК (р-РНК). Они имеют наибольшие размеры молекулы и входят в состав рибосом.

Основное значение ДНК

В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик разгадали структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), молекулы наследственности (Crick, 1981).

ДНК имеет форму закрученной веревочной лестницы (спирали), перекладины которой представлены парами нуклеиновых оснований. Аденин сочетается с тимином, а цитозин - с гуанином.

Основное значение ДНК - способность нести информацию о белке и способность удваиваться. Последовательность из трех связанных между собой нуклеотидов - код для конкретной аминокислоты. Из последовательности аминокислот получаются белки, которые управляют в организме биохимическими механизмами развития и метаболизмом.

ДНК, молекула-репликатор: после того как молекула ДНК разделяется на две цепи, каждое нуклеиновое основание притягивает комплиментарное себе. Таким образом, аденин притягивает новый тимин, гуанин - новый цитозин и т.д. В конце получаются две новые молекулы ДНК, являющиеся точными копиями исходной.

1. Молекула ДНК частично расплетается, освобождая для транскрипции структурный ген.

2. Цепочка матричной РНК (мРНК) считывается с одной из цепей ДНК и переносит генетическую информацию из ядра в цитоплазму клетки.

3. В цитоплазме цепочка мРНК прикрепляется к рибосоме. Рибосома движется по цепи, транслируя каждый кодон в соответствующую аминокислоту, которая добавляется к собираемому белку молекулами транспортной РНК.

4. Когда рибосома доходит до конца цепочки мРНК, ей встречается кодон, вызывающий отделение собранного белка.

Именно эта способность ДНК к репликации делает возможным размножение всех форм жизни - от простейшего микроба до сложного многоклеточного организма.

Сейчас известно, что мутации - это изменения в последовательности пар нуклеотидов, что влияет на результат синтеза белка.

Знание этого позволило изучить эволюцию на молекулярном уровне, отследить историю изменений в конкретных генах и в их организации, а также создать модель филогенеза, основанную на схожести ДНК между таксономическими группами. Все в биологии имеет смысл лишь в свете эволюции.

Подобные документы

Роль ДНК при хранении и передаче генетической информации в живых организмах. Основные свойства нуклеиновых кислот. Рентгеноструктурный анализ молекул ДНК. Исследование пространственной структуры белков. Создание трёхмерной модели ДНК Криком-Уотсоном.

презентация [2,0 M], добавлен 14.12.2011

Сведения о нуклеиновых кислотах, история их открытия и распространение в природе. Строение нуклеиновых кислот, номенклатура нуклеотидов. Функции нуклеиновых кислот (дезоксирибонуклеиновая - ДНК, рибонуклеиновая - РНК). Первичная и вторичная структура ДНК.

реферат [1,8 M], добавлен 26.11.2014

Организм как биологическая система, его основные структурные единицы. Источники энергии жизнедеятельности, строение белков и их роль в организме. Нуклеиновые кислоты и сущность синтеза белков. Взаимоотношения организма со средой и механизмы теплоотдачи.

реферат [403,3 K], добавлен 20.09.2009

Генетическая информация, контролирующая каждый миг жизни. Пространственная структура ДНК. Последовательность нуклеотидов. ДНК - уникальнейшие молекулы в природе. Хранение, передача, и воспроизведение наследственной информации.

доклад [41,8 K], добавлен 06.10.2006

Общая характеристика аргинина - кислоты, выделенной в 1985 году швейцарским ученым С.Г. Хединым из рога животного. Содержание L-Аргинина в продуктах питания, его применение в спорте и медицине, последствия дефицита. Биологическая роль оксида азота.

Все живое на планете состоит из многочисленных клеток. Они поддерживают упорядоченность своей организации с помощью генетической информации, содержащейся в ядре, которая сохраняется, передается и реализуется высокомолекулярными сложными соединениями — нуклеиновыми кислотами. Кислоты эти, в свою очередь, состоят из мономерных звеньев – нуклеотидов.

Роль нуклеиновых кислот переоценить невозможно. Нормальная жизнедеятельность организма определяется стабильностью их структуры. Если в строении происходят любые отклонения , меняется количество либо последовательность — это обязательно приводит к изменениям в клеточной организации. Изменяется активность физиологических процессов и жизнедеятельность клеток.

Понятие нуклеотида

Как и белки, нуклеиновые кислоты необходимы для жизни. Это генетический материал всех живых организмов, включая вирусы.

Выяснение структуры одного из двух типов нуклеиновых кислот ДНК позволило понять, каким образом в живых организмах хранится информация, необходимая для регулирования жизнедеятельности и как она передается потомству. Нуклеотид представляет собой мономерную единицу, образующую соединения более сложные — нуклеиновые кислоты. Без них невозможно хранение, воспроизведение и передача генетической информации. Свободные нуклеотиды – главные компоненты, которые участвуют в энергетических и в сигнальных процессах. Они поддерживают нормальную жизнедеятельность отдельных клеток и организма в целом.Из них строятся длинные молекулы — полинуклеотиды.Чтобы разобраться со структурой полинуклеотида следует понять строение нуклеотидов.

Что такое нуклеотид? Молекулы ДНК собраны из мелких мономерных соединений. Другими словами, нуклеотид — это органическое сложное соединение, представляющее собой составную часть нуклеиновых кислот и других биологических соединений, необходимых для жизнедеятельности клетки.

Состав и основные свойства нуклеотидов

В состав молекулы нуклеотида (мононуклеотида) в определенной последовательности входят три химических соединения:

Пентоза или пятиугольный сахар:

дезоксирибоза. Эти нуклеотиды называют дезоксирибонуклеотидами. Они входят в состав ДНК;
рибоза. Нуклеотиды входят в состав РНК и называются рибонуклеотидами.

2. Азотистая пиримидиновая или пуриновая основа, связанная с углеродным атомом сахара. Это соединение называют нуклеозидом

3. Фосфатная группа, состоящая из остатков фосфорной кислоты ( в количестве от одного до трех). Присоединяется к углероду сахара эфирными связями, образующими молекулу нуклеотида .

Свойствами нуклеотидов являются:

участие в метаболизме и других физиологических процессах, которые протекают в клетке;
осуществление контроля над репродукцией и ростом;
хранение информации о наследуемых признаках и о структуре белка.

Нуклеиновые кислоты

Сахар в нуклеиновых кислотах представлен пентозой. В РНК пятиуглеродный сахар называется рибозой, в ДНК — дезоксирибозой. В каждой молекуле пентозы пять атомов углерода, из которых четыре образуют кольцо с атомом кислорода , а пятый атом входит в группу НО-СН2.

В молекуле положение атома углерода обозначается цифрой со штрихом (например:1C´, 3C´, 5C´). Так как у вех процессов считывания с молекулы нуклеиновой кислоты наследственной информации имеется строгая направленность, нумерация углеродных атомов и их расположение служат указателем верного направления.

С первым углеродным атомом 1C´ в молекуле сахара соединяется азотистое основание.

К третьему и пятому углеродным атомам по гидроксильной группе (3C´, 5C´) присоединяется остаток фосфорной кислоты, который определяет химическую принадлежность к группе кислот ДНК и РНК.

Состав азотистых оснований

Виды нуклеотидов по азотистому основанию ДНК :

Первые два класса — пурины:

Два последние относятся к классу пиримидинов:

Пуриновые соединения по молекулярной массе тяжелее пиримидиновых.

Нуклеотиды РНК по азотистому соединению представлены:

гуанином;
аденином;
урацитолом;
цитозином.

Так же, как тимин, урацил является пиримидиновым основанием. Нередко в научной литературе азотистые основания обозначаются латинскими буквами (A, T, C, G, U).

Пиримидины, а именно тимин, цитозин, урацил представлены шестичленным кольцом, состоящим из двух атомов азота и четырех атомов углерода, последовательно пронумерованных , от 1 до 6.

Пурины (гуанин и аднин) состоят из имидазола и пиримидина. В молекулах пуриновых оснований четыре атома азота и пять атомов углерода. У каждого атома имеется свой номер от 1 дот 9.

Результатом соединений азотистых остатков с остатками пентозы является нуклеозид. Нуклеотид – это соединение фосфатной группы с нуклеозидом.

Образование фосфодиэфирных связей

Следует разобраться в вопросе о том, как нуклеотиды соединяются в полипептидную цепь, сколько их участвует в процессе ,образуя молекулу нуклеиновой кислоты за счет фосфодиэфирных связей.

При взаимодействии двух нуклеотидов образуется динуклеотид. Новое соединение образуется путем конденсации, когда возникает фосфодиэфирная связь между гидроксигруппой пентозы одного мономера и фосфатным остатком другого.

Синтезом полинуклеотида является многочисленное повторение этой реакции. Сборка полинуклеотидов представляет сложный процесс, обеспечивающей рост цепи с одного конца.

Структура ДНК

Молекулы ДНК, как и молекулы белка, имеют первичную, вторичную структуры и третичную. Первичную структуру в цепи ДНК определяет последовательность нуклеотидов. В основе вторичной структуры лежит формирование водородных связей. При синтезе двойной спирали ДНК имеется определенная закономерность и последовательность: тимин одной цепи соответствует аденину другой; цитозин – гуанину, и наоборот. Соединения нуклеидов создают прочную связь цепей, с равным между ними расстоянием.

Зная последовательность нуклеотидов одной цепи ДНК можно по принципу дополнения или комплементарности достроить вторую.

Третичная структура ДНК образовывается путем трехмерных сложных соединений. Это делает молекулу более компактной, чтобы она могла свободно разместиться в небольшом объеме клетки. длина кишечной палочки ДНК более 1 мм, в то время как длина самой клетки менее 5 мкм.

Количество пиримидиновых оснований равняется всегда числу пуриновых. Расстояние между нуклеотидами равняется 0,34 нм. Это постоянная величина, как и молекулярная масса.

Функции и свойства ДНК

Основные функции ДНК:

сохраняет наследственную информацию;
передача (удвоение/репликация);
транскрипция, реализация;
ауторепродукция ДНК. Функционирование репликона.

Процесс самовоспроизведения молекулы нуклеиновой кислоты сопровождается передачей от клетки к клетке копий генетической информаций. Для его осуществления необходимы набор специфических ферментов. В этом процессе полуконсервативного типа образуется репликативная вилка.

Репликон представляет собой единицу репликационного процесса участка генома, подконтрольного одной точке инициации репликации. Как правило, геном прокариот -это репликон. Репликация от точки инициации идет в обе стороны, иногда с различной скоростью.

Молекула РНК – структура

РНК является одной полинуклеотидной цепочкой, которая образуется через ковалентные связи между фосфатным остатком и пентозой . Она короче ДНК, имеет другую последовательность и различается по видовому составу азотистых соединений. Пиримидиновое основание тимина в РНК заменяется урацилом.

РНК может быть трех видов, в зависимости от тех функций, которые выполняются в организме:

информационная (иРНК) — очень разнообразная по нуклеотидному составу. Она является своего рода матрицей для синтеза белковой молекулы, переносит генетическую информацию к рибосомам от ДНК;
транспортная (тРНК) в среднем состоит из 75-95 нуклеотидов. Она переносит необходимую аминокислоту в рибосоме к месту синтеза полипептида. У каждого вида тРНК и есть своя, присущая только ему последовательность нуклеотидов или мономеров;
рибосомальная (рРНК) обычно одержит от 3000 до 5000 нуклеотидов. Рибосом является необходимым структурным ом компонент участвующим в важнейшем процессе, происходящем в клетке – биосинтезе белка.

Роль нуклеотида в организме

В клетке нуклеотиды выполняют важные функции:

являются биорегуляторами;
используются как структурные блоки для нуклеиновых кислот ;
входят в состав главного источника энергии в клетке — АТФ;
участвуют во многочисленных обменных процессах в клетках;
являются переносчиками восстановительных эквивалентов в клетках (ФАД, НАДФ+; НАД+; ФМН);
могут рассматриваться как вестники регулярного внеклеточного синтеза (цГМФ, цАМФ).

Свободные нуклеотиды – главные компоненты, которые участвуют в энергетических и в сигнальных процессах. Они поддерживают нормальную жизнедеятельность отдельных клеток и организма в целом.

Нуклеиновые кислоты представляют собой биополимерные соединения, которые играют жизненно важную роль при поддержании жизни в клетках живого организма. Впервые они были выявлены в ядре клеток в конце XIX столетия. Основные функции нуклеиновых кислот — это сохранение, копирование и реализация наследственной (генетической) информации.

Виды нуклеотидов

В природе существует два вида нуклеиновых кислот — рибонуклеиновые (РНК) и дезоксирибонуклеиновые (ДНК). Основанием каждой из них является азотистое основание, остаток фосфорной кислоты и пятиуглеродный сахар.

В состав ДНК входит четыре разновидности нуклеотидов, отличие которых заключается в азотистом соединении:

А — аденин;
Т — тимин;
Ц — цитозин;
Г — гуанин.

Что касается РНК, то они тоже имеют несколько видов в зависимости от азотистого основания:

У — урацилом;
Ц — цитозин;
Г — гуанин;
А — аденин.

Поговорим и о физических свойствах нуклеотидов. Они легко растворяются в воде, но при этом практически нерастворимы в растворителях, имеющих органическое происхождение. Очень восприимчивы к температурным перепадам, а также критическим показателям значения уровня рН.

Молекулы ДНК обладают весомой молекулярной массой, благодаря чему могут фрагментироваться в результате механического воздействия.

Нуклеиновые кислоты и их строение

Прежде всего необходимо узнать, что нуклеотидами являются мономеры нуклеиновых кислот. Они соединены между собой линейно, формируя длинные молекулярные соединения нуклеиновых кислот. Самыми длинными полимерами являются цепочки молекул ДНК. Как правило, длина молекул РНК значительно меньше, но при этом может отличаться (зависит от типа).

При формировании полинуклеотидного соединения остатки фосфорной кислоты взаимодействуют с трехатомным углеродом пентозы. Аналогичная связь формируется между фосфорной кислотой и пятиатомным углеродом сахара непосредственно в нуклеиновой кислоте.

Исходя из этого, индивидуальная характеристика нуклеиновой кислоты — это последовательность пентозы с мостиками фосфорных кислот. Азотистые основания отделяются по сторонам.

Стоит добавить, что молекулы ДНК не только длиннее в сравнении с РНК, но и состоят из нескольких цепей, которые соединены между собой химически водородными связями. Такие структурные связи формируются по принципу комплементарности: гуанин комплементарен цитозину, а аденин — тимину.

Нуклеотиды содержат в себе такие вещества:

Образоваться такие связи могут и в структурах РНК, но водородные связи формируются между нукленовыми кислотами одной цепи.

Функции нуклеотидов

Местонахождение в клетках аминокислот, белка и нуклеотидов поддерживает их жизнедеятельность, а также сохранение, передачу и верную реализацию генетической наследственности. Стоит в отдельности рассмотреть функции ДНК, РНК и их разновидностей в жизни живых организмов.

Значение ДНК

В клетках ДНК вся информация в основном сосредоточена в ядре клетки. Бактериальная среда, как правило, в формуле занимает одну кольцевую молекулу, находится в неправильной формы образовании в цитоплазме, именуемым нуклеотидом. Гены, входящие в состав наследственной информации генома, являются единицей передачи генетической наследственности. Признак частицы — открытая рама считывания.

Самая важная биологическая функция вида — генетическая, клетка является носителем генетической информации (благодаря этой особенности, каждый вид на планете обладает своими индивидуальными особенностями).
Наследственную информацию ДНК способно передавать в ряду целых поколений не без дополнительного участия и РНК.
Осуществляет процессы регуляции биосинтеза белка.

Хранение и передача информации (генетической предрасположенности) осуществляется за счет биосинтеза белка посредством и-РНК, т-РНК.

Свойства РНК

В природе различают три разновидности РНК, каждая из которых предназначена для выполнения особой роли в осуществлении синтеза белка.

Транспортная предназначена для транспортировки активированных аминокислот по организму к рибосомам. Это необходимо для осуществления синтеза полипептидных молекул. Исследования показали, что одна транспортная молекула способна связаться лишь с одной из 20 аминокислот. Они служат в качестве транспортировщиков специфических аминокислот и углеводов. Длина транспортной цепи значительно короче матричной, в состав входит приблизительно 80 нуклеотидов, визуально имеет вид клеверного листа.
Матричная занимается копированием наследственного кода из ядра в цитоплазму. За счет этого процесса осуществляется синтез разнообразных белков. Схема строения представляет собой одноцепочную молекулу, она является неотъемлемой составляющей цитоплазмы. В составе молекулы содержится до нескольких тысяч нуклеотидов, они занимаются транспортировкой наследственной информации через мембрану ядра к очагу синтеза на рибосоме. Копирование информации осуществляется посредством транскрипции.
Рибосомная задействует около 73 белков для формирования рибосом. Они собой представляют клеточные органеллы, на которых осуществляется сбор полипептидных молекул. Основные задачи рибосомной молекулы — это формирование центра рибосомы (активного); неотъемлемый структурный элемент рибосом, обеспечивающий их правильное функционирование; первоначальное взаимодействие рибосомы с кодоном-инициатором для выявления рамки считывания; обеспечение взаимодействия рибосомных молекул с транспортными.

История исследований

На протяжении десятилетий ведущие ученые мира занимались исследованием нуклеотидов. Рассмотрим более подробно историю изучения нуклеотидов.

Нуклеотиды — это неотъемлемая составляющая каждой клетки живого организма, обеспечивающая ее жизнедеятельность, а также хранение, транспортировку и реализацию наследственной (генетической) наследственности. Ученые посвятили годы изучению видов и строения молекул, что открывает перед человеком большие возможности.

Читайте также: