Реферат нуклеиновые кислоты по биологии

Обновлено: 02.07.2024

Нуклеиновая кислота представляет собой органическое соединение с остатками нуклеотидов. Делятся на дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК) кислоты. Эти элементы носят генетический характер клеточной структуры. То есть они являются хранителями и передающими по наследству информации.

История открытия нуклеиновой кислоты

Химик из Швейцарии Ф. Мишер в 1868г исследовал некую субстанцию и случайно обнаружил ранее никому не известное вещество. Материал содержал фосфор, который не распадается под воздействием катализатора и владеет свойством кислоты. Вот такую субстанцию и назвали нуклеиновая кислота. Соединение носит химическую сложную формулу C29H49N9O22P3.

Основная работа нуклеиновой кислоты, это отделение белка. Стенку клеточной структуры разрушают и обрабатывают анионом. Таким образом, белковый продукт осаждается, а нуклеиновая кислота остается.

ДНК и РНК хорошо растворяются в H2O, но не расщепляется в растворителе протоплазмы. Очень чувствительны кислоты к перепадам температур.

Строение в 4 этапа

1. Фосфорная кислота соединяющая в виде цепи называется первичной структурой

2. Соединение двух водородных связей в цепь считается вторичной структурой

3. Третичное происхождение формирует спираль из радикала азотистых соединений, таким образом образуют дополнительную водородную связь и служит прочной цепью

4. Четвертая структура образует комплекс гистона с нитью хроматина

Типы

1. Матричная РНК. Содержит память о первичной структуре и транслирует себя для синтеза белка, как матрица

2. Рибосомная РНК. Осуществляет процесс трансляции и считывания информации с м РНК. Адаптером служат т РНК

3. Транспортная РНК. Ее функция заключается в доставке аминокислоты в синтез белка. Также принимает участие в образовании полипептидной цепи. Для каждой аминокислоты существует своя т РНК. Эта молекула является одно цепочечной РНК

4. Некопирующие РНК. Это молекула ген. Выполняет абсолютно все перечисленные выше функции.

Доклад №2

Нуклеиновые кислоты являются важнейшими биополимерами. Стоит отметить, что они содержатся в каждом живом организме, служат источником генетической информации, а также принимают участие в ее хранении. Их существует два вида: молекулы ДНК и РНК.

По сути, они представляют собою остатки нуклеотидов, образующих цепочки, не имеющие разветвления. Открыты данные соединения были Ф. Мишером в лейкоцитах, входящих в состав гноя.

Да-да, звучит довольно таки непрезентабельно, но это неопровержимый факт.

ДНК – это дезоксирибонуклеиновые кислоты. К слову, подобные молекулы имеют наибольший размер и количество нуклеотидов. Масса их находится в клеточном ядре и связана с белками (если речь идет об эукариотах), а в прокариотических клетках ДНК являются плазмидами

Что же касается РНК, они имеют информативные, рибосомные и транспортные функции. Мало кто знает, что данные молекулы даже входят в состав вирусов. Допустим, СПИД содержит в себе именно рибонуклеиновые кислоты.

ДНК бывают двухцепочными и одноцепочными, оба этих вида также подразделяются на линейные и кольцевые. То же самое и у РНК, с тем лишь отличием, что двухцепочные РНК бывают только лишь линейными.

Стоит также добавить, что РНК, как правило, расщепляются щелочами, а ДНК – нет, что также является еще одним различием, которое невозможно не упомянуть. Между гетероциклом и остатком рибозы, как правило, формируются гликоидные связи.

Относительно функций данных кислот, следует также отметить, что помимо хранения и реализации генетической информации, они выполняют также структурные функции, участвуют в катализе определенных химических реакций и так далее.

В биологии нуклеиновые кислоты играют огромнейшую роль, поскольку именно генетическая информация, передаваемая от родительских генов детям, во многом формирует последующее развитие нового живого организма. Мало того, генетически могут передаваться как внешние сходства, так и черты характера, некие внутренние склонности.

То есть, ДНК и РНК имеют непосредственное влияние на жизнедеятельность новой клетки и несут наследственную информацию. Еще нуклеиновые кислоты есть в ядрах практически всех живых организмов.

Говоря более простым языком, это то, из чего мы состоим. Поэтому, довольно сложно отрицать их поистине глобальное влияние, как на свойства живого организма, так и на последующие ему поколения.

10 класс в химии

Нуклеиновые кислоты

Хищными или плотоядными называют животных и птиц, которые питаются мясом других зверей или себе подобных. В настоящее время этот разряд условно делят на два основных вида - сухопутных и ластоногих. Во всём мире насчитывается около 300 видов

Алексей Николаевич Толстой – советский писатель из рода Толстых. 3 раза являлся обладателем Сталинской премии. Желание писать у молодого Толстого появилось незадолго до окончания института.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Государственное бюджетное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №225 Адмиралтейского района Санкт-Петербурга

Шаповалова Валентина Александровна

Воронаев Иван Геннадьевич

Сегодня мы разберем тему нуклеиновые кислоты, так как она затрагивает жизненноважные процессы, происходящие в организме. В задачи данного реферата входит :

-пояснить, что такое нуклеиновые кислоты и какие их виды существуют;

-разобраться, чем отличаются виды нуклеиновых кислот;

-подробнее разобрать функции ДНК и РНК.

Что такое нуклеиновые кислоты?

Чем ДНК отличается от РНК?

Названия отличаются тем, что молекула ДНК содержит моносахарид дезоксирибозу, а РНК — рибозу.

Нуклеиновые кислоты ,подобно белкам, имеют первичную, вторичную и третичную структуру.

Чередование нуклеотидов в полимерной цепи образует первичную структуру нуклеиновой кислоты. Так, в состав РНК входят такие азотистые основания как: аденин (А), гуанин (Г), урацил (У), цитозин (Ц),а в состав ДНК входят: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц).

ДНК и РНК также отличаются вторичной структурой: молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепочек, спирально закрученных одна относительно другой, а РНК- из одной полинуклеотидной цепочки.

Две спирали в молекуле ДНК удерживаются вместе водородными связями между парами оснований. Двойная спираль ДНК строится по принципу комплиментарности: напротив аденинового нуклеотида одной цепи располагается тиминовый нуклеотид другой цепи, а против гуанинового- цитозиновый.

В РНК гуанин (Г) может образовывать водородные связи как с урацилом (У), так и с цитозином (Ц). Поэтому двухцепочечные участки РНК некомплементарны, и нуклеотидный состав РНК может меняться в широких пределах.

Вторичная структура ДНК (а); комплементарность между двумя цепями ДНК (б)

Третичная структура нуклеиновых кислот — это пространственное расположение ДНК и РНК. ДНК находится преимущественно в хромосомах клеточного ядра,а также митохондриях и хлоропластах.ДНК является основным строительным материалом генов, в которых хранится наследственная информация организма. РНК входит в состав ядрышек, митохондрий, рибосом, пластид, цитоплазмы. РНК выполняет различные функции, по причине того ,что существует в виде трех разновидностей: рибосомные РНК (рРНК), транспортные РНК (тРНК) и информационные ,или матричные РНК (иРНК).

3) Три разновидности РНК. Функции РНК.

1) Рибосомные РНК (рРНК).

Составляют 85% всей РНК клетки. Они определяют структуру и функционирование рибосом.

2) Транспортные РНК (тРНК).

Составляют примерно 10% от всех клеточных РНК. Они подносят аминокислоты к месту образования белковых молекул-рибосомам.

3) Информационные РНК (иРНК).

Не смотря на низкое процентное содержание в общей массе РНК клетки, всего 5%, они стоят на первом месте по значению. Они программируют синтез белков; осуществляют непосредственную передачу кода ДНК к месту синтеза белков.

4) Фукнции ДНК.

ДНК-главная молекула в живом организме. В ней хранится генетическая информация, передающаяся из поколения в поколение, но в синтезе белка ДНК не участвует.

В молекулах ДНК в закодированном виде записан состав всех белков организма. Каждая аминокислота, присутствующая в составе белка, имеет свой собственный код в ДНК-кодон.[2]

Нуклеиновые кислоты, биополимеры, состоящие из остатков фосфорной кислоты, сахаров и азотистых оснований (пуринов и пиримидинов). Имеют фундаментальное биологическое значение, поскольку содержат в закодированном виде всю генетическую информацию любого живого организма, от человека до бактерий и вирусов, передаваемую от одного поколения другому.

Нуклеиновые кислоты были впервые выделены из клеток гноя человека и спермы лосося швейцарским врачом и биохимиком Ф.Мишером между 1869 и 1871. Впоследствии было установлено, что существует два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК), однако их функции долго оставались неизвестными.

В 1928 английский бактериолог Ф.Гриффит обнаружил, что убитые патогенные пневмококки могут изменять генетические свойства живых непатогенных пневмококков, превращая последние в патогенные. В 1945 микробиолог О.Эвери из Рокфеллеровского института в Нью-Йорке сделал важное открытие: он показал, что способность к генетической трансформации обусловлена переносом ДНК из одной клетки в другую, а следовательно, генетический материал представляет собой ДНК. В 1940–1950 Дж.Бидл и Э.Тейтум из Станфордского университета (шт. Калифорния) обнаружили, что синтез белков, в частности ферментов, контролируется специфическими генами. В 1942 Т.Касперсон в Швеции и Ж.Браше в Бельгии открыли, что нуклеиновых кислот особенно много в клетках, активно синтезирующих белки. Все эти данные наводили на мысль, что генетический материал – это нуклеиновая кислота и что она как-то участвует в синтезе белков. Однако в то время многие полагали, что молекулы нуклеиновых кислот, несмотря на их большую длину, имеют слишком простую периодически повторяющуюся структуру, чтобы нести достаточно информации и служить генетическим материалом. Но в конце 1940-х годов Э.Чаргафф в США и Дж.Уайатт в Канаде, используя метод распределительной хроматографии на бумаге, показали, что структура ДНК не столь проста и эта молекула может служить носителем генетической информации.

Структура ДНК была установлена в 1953 М.Уилкинсом, Дж.Уотсоном и Ф.Криком в Англии. Это фундаментальное открытие позволило понять, как происходит удвоение (репликация) нуклеиновых кислот. Вскоре после этого американские исследователи А.Даунс и Дж.Гамов предположили, что структура белков каким-то образом закодирована в нуклеиновых кислотах, а к 1965 эта гипотеза была подтверждена многими исследователями: Ф.Криком в Англии, М.Ниренбергом и С.Очоа в США, Х.Кораной в Индии. Все эти открытия, результат столетнего изучения нуклеиновых кислот, произвели подлинную революцию в биологии. Они позволили объяснить феномен жизни в рамках взаимодействия между атомами и молекулами.

Бактерии и цианобактерии (сине-зеленые водоросли) содержат вместо хромосом одну или две крупные молекулы ДНК, связанные с небольшим количеством белка, и часто – молекулы ДНК меньшего размера, называемые плазмидами. Плазмиды несут полезную генетическую информацию, например содержат гены устойчивости к антибиотикам, но для жизни самой клетки они несущественны.

Некоторое количество РНК присутствует в клеточном ядре, основная же ее масса находится в цитоплазме – жидком содержимом клетки. Б льшую ее часть составляет рибосомная РНК (рРНК). Рибосомы – это мельчайшие тельца, на которых идет синтез белка. Небольшое количество РНК представлено транспортной РНК (тРНК), которая также участвует в белковом синтезе. Однако оба этих класса РНК не несут информации о структуре белков – такая информация заключена в матричной, или информационной, РНК (мРНК), на долю которой приходится лишь небольшая часть суммарной клеточной РНК.

Генетический материал вирусов представлен либо ДНК, либо РНК, но никогда обеими одновременно.

Молекулы нуклеиновых кислот содержат множество отрицательно заряженных фосфатных групп и образуют комплексы с ионами металлов; их калиевая и натриевая соли хорошо растворимы в воде. Концентрированные растворы нуклеиновых кислот очень вязкие и слегка опалесцируют, а в твердом виде эти вещества белые. Нуклеиновые кислоты сильно поглощают ультрафиолетовый свет, и это свойство лежит в основе определения их концентрации. С этим же свойством связан и мутагенный эффект ультрафиолетового света.

Длинные молекулы ДНК хрупки и легко ломаются, например при продавливании раствора через шприц. Поэтому работа с высокомолекулярными ДНК требует особой осторожности.

Химическая структура. Нуклеиновые кислоты  это длинные цепочки, состоящие из четырех многократно повторяющихся единиц (нуклеотидов). Их структуру можно представить следующим образом:

Символ Ф обозначает фосфатную группу. Чередующиеся остатки сахара и фосфорной кислоты образуют сахарофосфатный остов молекулы, одинаковый у всех ДНК, а огромное их разнообразие обусловливается тем, что четыре азотистых основания могут располагаться вдоль цепи в самой разной последовательности.

Сахаром в нуклеиновых кислотах является пентоза; четыре из пяти ее углеродных атомов вместе с одним атомом кислорода образуют кольцо. Атомы углерода пентозы обозначают номерами от 1 до 5. В РНК сахар представлен рибозой, а в ДНК  дезоксирибозой, содержащей на один атом кислорода меньше. Фрагменты полинуклеотидных цепей ДНК и РНК показаны на рисунке.

Поскольку фосфатные группы присоединены к сахару асимметрично, в положениях 3 и 5, молекула нуклеиновой кислоты имеет определенное направление. Сложноэфирные связи между мономерными единицами нуклеиновых кислот чувствительны к гидролитическому расщеплению (ферментативному или химическому), которое приводит к высвобождению отдельных компонентов в виде небольших молекул.

Азотистые основания – это плоские гетероциклические соединения. Они присоединены к пентозному кольцу по положению 1. Более крупные основания имеют два кольца и называются пуринами: это аденин (А) и гуанин (Г). Основания, меньшие по размерам, имеют одно кольцо и называются пиримидинами: это цитозин (Ц), тимин (Т) и урацил (У). В ДНК входят основания А, Г, Т и Ц, в РНК вместо Т присутствует У. Последний отличается от тимина тем, что у него отсутствует метильная группа (CH3). Урацил встречается в ДНК некоторых вирусов, где он выполняет ту же функцию, что и тимин.

Трехмерная структура. Важной особенностью нуклеиновых кислот является регулярность пространственного расположения составляющих их атомов, установленная рентгеноструктурным методом. Молекула ДНК состоит из двух противоположно направленных цепей (иногда содержащих миллионы нуклеотидов), удерживаемых вместе водородными связями между основаниями:

Водородные связи, соединяющие основания противоположных цепей, относятся к категории слабых, но благодаря своей многочисленности в молекуле ДНК они прочно стабилизируют ее структуру. Однако если раствор ДНК нагреть примерно до 60 С, эти связи рвутся и цепи расходятся – происходит денатурация ДНК (плавление).

Обе цепи ДНК закручены по спирали относительно воображаемой оси, как будто они навиты на цилиндр. Эта структура называется двойной спиралью. На каждый виток спирали приходится десять пар оснований.

Правило комплементарности. Уотсон и Крик показали, что образование водородных связей и регулярной двойной спирали возможно только тогда, когда более крупное пуриновое основание аденин (А) в одной цепи имеет своим партнером в другой цепи меньшее по размерам пиримидиновое основание тимин (Т), а гуанин (Г) связан с цитозином (Ц). Эту закономерность можно представить следующим образом:

Соответствие АТ и ГЦ называют правилом комплементарности, а сами цепи  комплементарными. Согласно этому правилу, содержание аденина в ДНК всегда равно содержанию тимина, а количество гуанина – количеству цитозина. Следует отметить, что две цепи ДНК, различаясь химически, несут одинаковую информацию, поскольку вследствие комплементарности одна цепь однозначно задает другую.

Структура РНК менее упорядочена. Обычно это одноцепочечная молекула, хотя РНК некоторых вирусов состоит из двух цепей. Но даже такая РНК более гибка, чем ДНК. Некоторые участки в молекуле РНК взаимно комплементарны и при изгибании цепи спариваются, образуя двухцепочечные структуры (шпильки). В первую очередь это относится к транспортным РНК (тРНК). Некоторые основания в тРНК подвергаются модификации уже после синтеза молекулы. Например, иногда происходит присоединение к ним метильных групп.

Функция нуклеиновых кислот

Одна из основных функций нуклеиновых кислот состоит в детерминации синтеза белков. Информация о структуре белков, закодированная в нуклеотидной последовательности ДНК, должна передаваться от одного поколения к другому, и поэтому необходимо ее безошибочное копирование, т.е. синтез точно такой же же молекулы ДНК (репликация).

Репликация и транскрипция. С химической точки зрения синтез нуклеиновой кислоты – это полимеризация, т.е. последовательное присоединение строительных блоков. Такими блоками служат нуклеозидтрифосфаты; реакцию можно представить следующим образом:

Энергия, необходимая для синтеза, высвобождается при отщеплении пирофосфата, а катализируют реакцию особые ферменты – ДНК-полимеразы.

В результате такого синтетического процесса мы получили бы полимер со случайной последовательностью оснований. Однако большинство полимераз работает только в присутствии уже существующей нуклеиновой кислоты –матрицы, диктующей, какой именно нуклеотид присоединится к концу цепи. Этот нуклеотид должен быть комплементарен соответствующему нуклеотиду матрицы, так что новая цепь оказывается комплементарной исходной. Используя затем комплементарную цепь в качестве матрицы, мы получим точную копию оригинала.

ДНК состоит из двух взаимно комплементарных цепей. В ходе репликации они расходятся, и каждая из них служит матрицей для синтеза новой цепи:

В результате транскрипции ДНК образуются клеточные РНК (мРНК, рРНК и тРНК):

Они комплементарны одной из цепей ДНК и являются копией другой цепи, за исключением того, что место тимина у них занимает урацил. Таким способом можно получить множество РНК-копий одной из цепей ДНК.

В нормальной клетке передача информации осуществляется только в направлении ДНК  ДНК и ДНК  РНК. Однако в клетках, инфицированных вирусом, возможны и другие процессы: РНК  РНК и РНК  ДНК. Генетический материал многих вирусов представлен молекулой РНК, обычно одноцепочечной. Проникнув в клетку-хозяина, эта РНК реплицируется с образованием комплементарной молекулы, на которой, в свою очередь, синтезируется множество копий исходной вирусной РНК:

Вирусная РНК может транскрибироваться ферментом  обратной транскриптазой  в ДНК, которая иногда включается в хромосомную ДНК клетки-хозяина. Теперь эта ДНК несет вирусные гены, и после транскрипции в клетке может появиться вирусная РНК. Таким образом, спустя длительное время, в течение которого никакого вируса в клетке не обнаруживается, он снова в ней появится без повторного заражения. Вирусы, генетический материал которых включается в хромосому клетки-хозяина, часто являются причиной рака.

Трансляция нуклеиновых кислот в белки. Генетическая информация, закодированная в нуклеотидной последовательности ДНК, переводится не только на язык нуклеотидной последовательности РНК, но и на язык аминокислот – мономерных единиц белков.

Белковая молекула – это цепочка из аминокислот. Каждая аминокислота содержит кислую карбоксильную группу –COOH и осн вную аминогруппу

–NH2. Карбоксильная группа одной аминокислоты связывается с аминогруппой другой, образуя амидную связь, и этот процесс продолжается, пока не образуется цепь, содержащая до 1000 аминокислот .

В белках присутствует 20 разных аминокислот, от последовательности которых зависят их природа и функции. Эта последовательность определяется нуклеотидной последовательностью соответствующего гена – участка ДНК, кодирующего данный белок. Однако сама ДНК не является матрицей при синтезе белка. Сначала она транскрибируется в ядре с образованием матричной РНК (мРНК), которая диффундирует в цитоплазму, и на ней как на матрице синтезируется белок. Процесс ускоряется благодаря тому, что на каждой молекуле мРНК может одновременно синтезироваться множество белковых молекул.

Каждая тРНК содержит специфическую последовательность из трех оснований, антикодон, который комплементарен группе из трех оснований, кодону, в мРНК. Антикодоны взаимодействуют с кодонами по правилу комплементарности, примерно так же, как взаимодействуют две цепи ДНК. Таким образом, последовательность оснований в мРНК определяет порядок присоединения тРНК, несущих аминокислоты. Схематически перенос информации от ДНК к белку можно представить следующим образом:

Последовательность оснований в ДНК задает порядок следования аминокислот в белке, поскольку каждая аминокислота присоединяется специфическим ферментом только к определенным тРНК, а те, в свою очередь, – только к определенным кодонам в мРНК. Комплексы тРНК-аминокислота связываются с матрицей по одному в каждый данный момент времени. Ниже перечислены основные этапы белкового синтеза (см. также рисунок).

1. Ферменты, называемые аминоацил-тРНК-синтетазами, присоединяют аминокислоты к соответствующим тРНК. Таких ферментов 20, по одному для каждой аминокислоты.

2. Молекула мРНК присоединяется своим первым кодоном к небольшой частице, называемой рибосомой. Рибосомы состоят из примерно равных количеств рРНК и белка. Структура и функция рибосом весьма сложны, но главная их задача – облегчение взаимодействия мРНК и тРНК и ускорение полимеризации аминокислот, связанных с разными тРНК.

3. тРНК, нагруженная аминокислотой, связывается с соответствующим кодоном мРНК, которая, в свою очередь, контактирует с рибосомой. Образуется комплекс рибосома-мРНК-тРНК-аминокислота.

4. мРНК, подобно ленте на конвейере, продвигается по рибосоме на один кодон вперед.

5. Следующая тРНК, нагруженная аминокислотой, присоединяется ко второму кодону.

6. Первая и вторая аминокислоты связываются между собой.

7. Первая тРНК отсоединяется от комплекса, и теперь вторая тРНК несет две аминокислоты, связанные между собой.

Генетический код. Итак, каждая аминокислота в белке опосредованно детерминируется определенным кодоном (группой из 3 оснований) в мРНК и в конечном счете в ДНК. Поскольку в нуклеиновых кислотах имеется четыре вида оснований, число возможных кодонов составляет 444 = 64. Соответствие между кодонами и аминокислотами, которые они кодируют, называется генетическим или биологическим кодом. Это соответствие было установлено опытным путем: к разрушенным клеткам добавляли синтетические полинуклеотиды известного состава и смотрели, какие аминокислоты включаются в белки. Позднее появилась возможность прямо сравнить последовательности аминокислот в вирусных белках и оснований в вирусных нуклеиновых кислотах. Чрезвычайно интересно, что генетический код, за редкими исключениями, одинаков для всех организмов – от вирусов до человека. Одно из таких исключений составляют изменения в генетическом коде, используемом митохондриями. Митохондрии  это небольшие автономные субклеточные частицы (органеллы), присутствующие во всех клетках, кроме бактерий и зрелых эритроцитов. Предполагают, что когда-то митохондрии были самостоятельными организмами; проникнув в клетки, они со временем стали их неотъемлемой частью, но сохранили некоторое количество собственной ДНК и синтезируют несколько митохондриальных белков.

У простейшей Tetrahymena РНК сама удаляет свои интроны и соединяет свободные концы цепей, действуя как фермент по отношению к себе самой. Это единственное известное исключение из правила, согласно которому нуклеиновые кислоты не обладают ферментативной активностью.

Транспортные РНК и супрессия. Смысл информации, содержащейся в ДНК, если переводить ее на язык аминокислот, определяется как самой ДНК, так и считывающим механизмом, т.е. зависит не только от того, какие кодоны есть в ДНК и в какой последовательности они расположены, но также и от того, какие именно аминокислоты (и к каким тРНК) присоединяют аминоацил-тРНК-синтетазы. Конечно, природа синтетаз и тРНК тоже определяется ДНК, и в этом смысле ДНК является первичным детерминантом белковой последовательности. Тем не менее суммарная детерминация представляет собой функцию всей системы, поскольку результат зависит от исходных компонентов. Если бы соответствие между тРНК и аминокислотами было другим, смысл кодонов тоже изменился бы.

Регуляция активности генов. Для организма было бы катастрофой, если бы во всех его клетках одновременно работали все гены и синтезировались все закодированные ими белки. Бактерии, например, должны все время приспосабливаться к условиям среды, синтезируя нужные ферменты. Все клетки высших организмов имеют один и тот же набор генов, но, к счастью, клетки мозга не продуцируют пищеварительные ферменты, а в хрусталике глаза не синтезируются мышечные белки.

Активность гена характеризуется тем, транскрибируется ли он с образованием соответствующей мРНК. ДНК  длинная молекула, и в определенных ее участках имеются последовательности, называемые промоторами, которые распознаются специфическим транскрибирующим ферментом  полимеразой. В этих участках и только в них начинается транскрипция, продолжаясь до тех пор, пока не достигнет последовательности оснований, означающей конец считывания.

Существуют особые репрессорные белки, которые связываются с ДНК поблизости от промотора в участке, называемом оператором. Образовавшийся комплекс блокирует транскрипцию, и мРНК не синтезируется. Таким образом, репрессорные белки являются ингибиторами транскрипции. С другой стороны, существуют небольшие молекулы, которые образуют комплекс с репрессорами и снимают их блокирующее действие на транскрипцию. Иными словами, они ингибируют ингибиторы. Так, у бактерий в норме отсутствуют ферменты, катализирующие расщепление некоторых сахаров; однако если один из этих сахаров появляется в среде, он образует комплекс с репрессором, ингибирование снимается и запускается синтез соответствующего фермента. Ферменты, синтез которых индуцируется собственными субстратами, называются индуцибельными. В ряде случаев, наоборот, репрессорный белок не блокирует транскрипцию мРНК, если он не связан с определенной молекулой. У бактерий некоторые ферменты, участвующие в синтезе определенных аминокислот, образуются только в отсутствие этих аминокислот, т.е. бактерии производят данные ферменты лишь по мере надобности. Если добавить в среду соответствующую аминокислоту, она образует комплекс с репрессором и активирует его, а тем самым ингибирует транскрипцию соответствующих генов. Уже образовавшаяся мРНК вскоре расщепляется, и синтез ферментов останавливается. Такие ферменты являются отрицально индуцибельными.

Поскольку репрессорные белки сами кодируются генами, работа которых, в свою очередь, может регулироваться другими генами, а синтез малых молекул-индукторов и гормонов также в конечном счете регулируется генами, механизмы регуляции генной активности могут быть очень сложными.

Ичас М. Биологический код. М., 1971

Шабарова З.А., Богданов А.А. Химия нуклеиновых кислот и их компонентов, М., 1978

Кафедра: Биология
Зав. Кафедрой: д.м.н., профессор
Сентюрова Л.Г.

На тему: Нуклеиновые кислоты. Молекулярная Организация. Участки ДНК с уникальными и повторяющимися последовательностями. Кодовая система ДНК. Авторепродукция генетического материала.

Выполнила:
студентка 1 курса 112 группы
лечебного факультета
Елдышева Ольга

Проверила:
к.м.н., доцент
Хужахметова Л.К.

г. Астрахань, 2021 г.

Введение
Нуклеиновые кислоты имеют первостепенное биологическое значение и представляют собой сложные высокомолекулярные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Они впервые были обнаружены в ядрах клеток, откуда и их название (нуклеус -- ядро). Дезоксирибонуклеиновая кислотам (ДНК) -- один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная роль ДНК в клетках -- долговременное хранение информации о структуре РНК и белков. Молекулы ДНК хранят сведения об этих свойствах и передают их в поколениях потомков, т.е. ДНК-носитель наследственной информации.

Эти важные открытия дали старт глубокому изучению ДНК как основу генетического материала. На основе этой молекулы строится вся жизнь.

1. Нуклеиновые кислоты

1.1 Состав нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты— сложные природные высокомолекулярные соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации в живых организмах. Данные кислоты составляют 1–5% от сухой массы клетки и представлены моно- и полинуклеотидами

Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды, которые состоят из азотистого основания, углевода - пентозы и остатка фосфорной кислоты, соединенных между собой ковалентными связями. Азотистые основания представлены производными пурина (аденин и гуанин) и пиримидина (цитозин, гуанин и урацил (у РНК)). Пентозы: рибозы – в РНК, дезоксирибозы – в ДНК. Они различаются по отсутствию или наличию гидроксильной группы во втором положении атома углерода сахарного кольца.

Различают 2 типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота — ДНК и рибонуклеиновая кислота —РНК. Они отличаются друг от друга своим строением и функциям.

1.2 Значение нуклеиновых кислот

Значение нуклеиновых кислот очень велико. Особенности их химического строения обеспечивают возможность хранения, переноса в цитоплазму и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой клетке. Белки обусловливают большинство свойств и признаков клеток. Понятно поэтому, что стабильность структуры нуклеиновых кислот - важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и организма в целом. Любые изменения строения нуклеиновых кислот влекут за собой изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя таким образом на жизнеспособность.

2. Структуры нуклеиновых кислот

2.1 Первичная структура

Первичная структура цепи ДНК и РНК – нуклеотидный состав и определенна последовательность нуклеотидных звеньев в полимерной цепи. Первичная структура определяется в соответствии с правилами Э. Чаргаффа:

1) Все ДНК независимо от их происхождения содержат одинаковое число пуриновых и пиримидиновых оснований. Следовательно, в любой ДНК на каждый пуриновый нуклеотид приходится один пиримидиновый.

2) Любая ДНК всегда содержит в равных количествах попарно аденин и тимин, гуанин и цитозин, что обычно обозначают как А = Т и G = C.

3) Количество оснований, содержащих аминогруппы в положении 4 пиримидинового ядра и 6 пуринового (цитозин и аденин), равно количеству оснований, содержащих оксо-группу в тех же положениях (гуанин и тимин), т.е. A + C=G + T

2.2. Вторичные структуры

Вторичная структура нуклеиновых кислот. Под вторичной структурой нуклеиновых кислот понимают пространственно-упорядоченные формы полинуклеотидных цепей.

Вторичная структура ДНК образована двумя параллельными неразветвленными полинуклеотидными цепями, которые закручены вокруг общей оси в двойную спираль.

Эта структура держится за счет водородных связей, которые образуются за счет азотистых оснований, направленными внутрь спирали. Азотистые основания составляют комплементарные пары. Образование водородных связей между комплементарными парами оснований обусловлено их пространственным соответствием. Так, пиримидиновое основание комплементарно пуриновому. Связи между другим основаниями не возникают из-за пространственных причин. Таким образом, в ДНК: тимин комплементарен аденину, а цитозин – гуанину.

Комплементарность полинуклеотидных цепей служит химической основой для главной функции ДНК – хранение и передача наследственных признаков.

Способность ДНК не только хранить, но и использовать генетическую информацию определяется следующими ее свойствами:

1) Молекулы ДНК способны к репликации, т.е. могут обеспечить возможность синтеза других молекул ДНК, идентичных исходным, поскольку последовательность оснований в одной из цепей двойной спирали контролирует их расположение в другой цепи;

2) Молекулы ДНК могут совершенно точным и определенным образом направлять синтез белков, специфичных для организмов данного вида.

Вторичная структура РНК

Молекулы РНК состоят из одной полинуклеотидной цепи и не имеют определенной пространственной формы, в отличии от ДНК. Также, полимерная цепь РНК приблизительно в десять раз короче, чем у ДНК.

Комплементарными парами в РНК являются цитозин-гуанин и урацил-аденин.

Основная роль РНК - непосредственное участие в биосинтезе белка. Известны три вида клеточных РНК, которые отличаются по местоположению в клетке, составу, размерам и свойствам, определяющим их специфическую роль в образовании белковых макромолекул:

1) Информационные (матричные) РНК передают закодированную в ДНК

информацию о структуре белка от ядра клетки к рибосомам, где и

осуществляется синтез белка;

2) Транспортные РНК собирают аминокислоты в цитоплазме клетки и переносят их в рибосому; молекулы РНК этого типа "узнают" по соответствующим участкам цепи информационной РНК, какие аминокислоты должны участвовать в синтезе белка;

3) Рибосомные РНК обеспечивают синтез белка определенного строения, считывая информацию с информационной (матричной) РНК.

3.Участки ДНК с уникальными и повторяющимися последовательностями.

В 1968 г. было установлено, что имеется два типа участков хромосомной ДНК, отличающихся друг от друга последовательностью расположения нуклеотидов (основных звеньев ДНК). Каждый участок первого типа состоит из своеобразной, присущей только ему последовательности расположения нуклеотидов. Такие последовательности были названы уникальными. Участки второго типа содержали различное количество повторяющихся последовательностей нуклеотидов, которые были названы повторами. В 1973— 1975 гг. было установлено, что в ДНК участки повторов чередуются с участками уникальных последовательностей таким образом, что каждая уникальная зона отделена от другой отрезками повторов. Оказалось, что повторы бывают двух видов — короткие (содержащие в среднем около 300 нуклеотидных пар) и длинные (до 5000 нуклеотидных пар). Число коротких повторов в ДНК в несколько раз больше, чем длинных. В последнее время высказано предположение, что длинные повторы равномерно распределены по ДНК. Роль повторов пока не выяснена, хотя были высказаны предположения, что они играют роль в упаковке ДНК в хромосоме, в процессах транскрипции и трансляции, а также в осуществлении обмена генами между хромосомами.

4.Кодовая система ДНК.

В ДНК заключена вся генетическая информация о структуре и деятельности клетки. Участок ДК, несущий информацию о структуре белка – ген. Биосинтез белка осуществляется с помощью генетического кода.

Свойства генетического кода:

1. Генетический код триплетен

2. Код – вырожден, избыточен

3. Каждый кодон шифрует 1 аминокислоту

4. Прерывистость – между генами есть знаки препинания

5. Код – универсален

Транскрипция — это процесс считывания информации РНК, осуществляемой и-РНК полимеразой. ДНК — носитель всей генетической информации в клетке, непосредственного участия в синтезе белков не принимает. К рибосомам — местам сборки белков — высылается из ядра несущий информационный посредник, способный пройти поры ядерной мембраны. Им является и-РНК. По принципу комплементарности она считывает с ДНК при участии фермента, называемого РНК — полимеразой. В процессе транскрипции можно выделить 4 стадии:

1) Связывание РНК-полимеразы с промотором,

2) инициация — начало синтеза. Оно заключается в образовании первой фосфодиэфирной связи между АТФ и ГТФ и два нуклеотидом синтезирующей молекулы и-РНК,

3) элонгация — рост цепи РНК, т.е. последовательное присоединение нуклеотидов друг к другу в том порядке, в котором стоят комплементарные нуклеотиды в транскрибируемой ните ДНК,

4) Терминация — завершения синтеза и-РНК. Промотр — площадка для РНК-полимеразы. Оперон — часть одного гена ДНК.

5.Репликация ДНК.

Основные ферменты репликации ДНК и их функции:

1) ДНК-полимераза. Наращивает полинуклеотидные нити, присоединяя нуклеотиды в направлении 5ʹ → 3ʹ, на ведущей цепи непрерывно, на отстающей — фрагментами Оказаки

2) ДНК-лигаза. Сшивают фрагменты Оказаки после удаления РНКзатравки

3) ДНК-геликаза - раскручивает двойную спираль, разрывая водородные связи, используя энергию АТФ

4) ДНК-топоизомераза. Разрывает одну из нитей ДНК, давая ей возможность вращаться вокруг второй цепи для снятия напряжения на сверхзакрученных участках ДНК; она же восстанавливает целостность нити

5) РНК-праймаза. Синтезирует короткие РНК-праймеры (РНК-затравки) для предоставления свободного 3ʹ-ОН конца ДНК-полимеразе

6) SSB (дестабилизирующие) белки. Связываются с одноцепочечной ДНК, не позволяя вновь соединиться двум нитям и не закрывая оснований ДНК

7) 5ʹ-3ʹ-эндонуклеаза Удаление РНК-затравки, репарация

8) 3ʹ-5ʹ-эндонуклеаза Исправление ошибок репликации

Процесс удвоения молекулы ДНК, или самовоспроизведения, называется репликацией. В основе репликации лежит матричный механизм. В реакциях матричного типа одна молекула является матрицей (основой или формой) для синтеза другой с комплементарной структурой. Репликация ДНК происходит полуконсервативно: каждая дочерняя молекула ДНК состоит из одной интактной (консервативной) цепи, полученной от родительской двойной спирали, и одной синтезированной цепи (рис. 4.29). Процесс репликации начинается с того, что инициирующие белки связываются с молекулой ДНК. Расплетаются ее комплементарные цепи, разрывая водородные связи между основаниями нуклеотидов цепей ДНК.

Процесс репликации ДНК играет важную роль в передаче наследственной информации. Благодаря ему дочерние клетки получают равное количество генетической информации — точные копии информации материнской клетки.

Выделяют три основные стадии процесса репликации:
1) инициация — сборка ферментного и белкового комплекса на участках ДНК и начало процесса;
2) элонгация — удлинение полинуклеотидной цепи ДНК;
3) терминация — окончание репликации. Регуляция репликации осуществляется в основном на стадии инициации.

Репликация у прокариот. Точка начала репликации у прокариот называется ori (от англ. origin). Известно, что в этих участках находятся высоко консервативные последовательности, расположенные тандемно. Эти последовательности узнаются ферментами репликации. Новая ДНК образуется с одинаковой скоростью в обоих направлениях до тех пор, пока ДНК не станет полностью удвоенной и не образуются две хромосомы (рис. 4.30). Ведущий фермент репликации — ДНК-полимераза. У прокариот E. coli в настоящее время известно пять типов ДНК-полимеразы (ДНК-полимеразы I, II, III, IV, V). В разных комбинациях они отвечают за репликацию и репарацию.

Репликация у эукариот. Начинается в нескольких точках. Эти точки называются ARS (Autonomously Replicating Sequence — автономно реплицирующаяся последовательность). В хромосомах эукариот существует большое количество ARS. У эукариот известны семь типов ДНК-полимераз (ДНК-полимераза ά, β, γ, δ, ε, ζ, η). В разных комбинациях эти семь ДНК-полимераз отвечают за репликацию и репарацию в ядре, митохондриях, пластидах. Структура, в которой происходит репликация, получила название репликационной вилки. Репликационная вилка движется последовательно вдоль ДНК от ее стартовой точки. По ходу процесса соседние репликоны соединяются. Иногда насчитывают сотни репликонов, репликация идет в обоих направлениях. Синтез ДНК происходит в S-периоде интерфазы клеточного цикла.

Заключение

Почти полвека тому назад был открыт принцип структурной (молекулярной) организации генного вещества – дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Структура ДНК дала ключ к механизму точного воспроизведения генного вещества. Так возникла новая наука – молекулярная биология. Была сформулирована так называемая центральная догма молекулярной биологии: ДНК – РНК – белок. Смысл ее состоит в том, что генетическая информация, записанная в ДНК, реализуется в виде белков, но не непосредственно, а через посредство родственного полимера – рибонуклеиновую кислоту (РНК), и этот путь от нуклеиновых кислот к белкам необратим. Таким образом, ДНК синтезируется на ДНК, обеспечивая собственное воспроизведение исходного генетического материала в поколениях; РНК синтезируется на ДНК, в результате чего происходит переписывание, или транскрипция, генетической информации в форму многочисленных копий РНК; молекулы РНК служат матрицами для синтеза белков – генетическая информация транслируется в форму полипептидных цепей. Итак, именно ДНК определяет наследственность организмов, то есть воспроизводящийся в поколениях набор белков и связанных с ними признаков. Биосинтез белка является центральным процессом живой материи, а нуклеиновые кислоты обеспечивают его, с одной стороны, программой, определяющей весь набор и специфику синтезируемых белков, а с другой – механизмом точного воспроизведения этой программы в поколениях. Следовательно, происхождение жизни в ее современной клеточной форме сводится к возникновению механизма наследуемого биосинтеза белков.

Читайте также: