Какую роль играют нуклеиновые кислоты в хранении и реализации наследственной информации кратко

Обновлено: 02.07.2024

2. Строение и сравнительная характеристика молекул ДНК, РНК.

3. Репликация ДНК, генетический код, реализация генетической информации.

4. Строение гена и его свойства.

Генетическая роль нуклеиновых кислот.

Молекулярная биология стала активно развиваться с конца 19 века. Долгое время оставалось неизвестным, что представляет собой вещество способное к саморепликации, мутациям и фенотипическому проявлению.

Нуклеиновые кислоты впервые описал швейцарский биохимик И.Ф. Лишнер (Липшер, Мишер) в 1869 году. Обнаруженное в ядре клетки вещество он первоначально назвал нуклеон от лат. Nucleus - ядро. До начала XX века предполагалось, что наследственную информацию передают белки. Благодаря совместной работе физиков, химиков, биологов, генетиков в XX веке началось активное изучение биологически активных молекул, входящих в состав клетки и оказалось, что наследственная информация зашифрована (закодирована) в молекуле ДНК. Впервые это доказал бактериолог Ф. Гриффит в 1928 году при изучении бактерий пневмококков, которые вызывают пневмонию. В 1927 году русский биолог Н.К. Кольцов сформулировал принцип редупликации наследственных структур. В 1940 году американские учёные Джордж Бидл и Эдвард Татум доказали, что в генах закодирована информация о структуре белка. В 1953 году Френсис Крик и Джеймс Уотсон предложили модель строения ДНК. В 1969 году индийский учёный Г. Корана впервые осуществил искусственный синтез гена. Фундаментальные открытия в области молекулярной биологии позволили понять, как работают механизмы наследственности на молекулярном уровне, с которого начинается формирование любых фенотипических признаков человека.

Генетическая роль нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) стала известна, как только были открыты законы наследственности. Их функция состоит в хранении, передачи и воспроизводстве генетической информации и регуляции жизнедеятельности клетки.

Строение и сравнительная характеристика молекул ДНК и РНК.

Строение молекул ДНК, РНК.

Нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) представляют собой биополимеры (макромолекулы, полинуклеотиды), мономерами которых являются нуклеотиды. Нуклеиновые кислоты — это очень длинные молекулы, которые могут содержать до нескольких миллиардов нуклеотидов.

Нуклеотид состоит из трёх частей: 1) азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин, тимин, уроцил), 2) углевод (рибоза, дезоксирибоза), 3) остаток фосфорной кислоты.

1) Азотистые основания бывают двух типов:

1. Пуриновые (аденин, гуанин)

2. пиримидиновые (тимин, цитозин, урацил)

В состав молекулы ДНК входят только четыре типа азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин, тимин. В молекулу РНК также входят четыре типа азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин, но вместо тимина содержится уроцил.

2) Углевод, входящий в состав нуклеотида содержит пять атомов углерода т.е. относится к классу пентоз. В состав молекулы ДНК входит дезоксирибоза, а в состав молекулы РНК входит рибоза.

Нуклеиновые кислоты являются кислотами потому, что в их состав входит остаток фосфорной кислоты.

Соединение нуклеотидов в нити происходит посредством ковалентных связей через углерод одного нуклеотида и остаток фосфорной кислоты соседнего нуклеотида. Каждый нуклеотид обозначается заглавной буквой в зависимости от содержащегося в нём азотистого основания: Л - адениловый, Г - гуаниловый, Ц - цитидиловый,

Т - тимидиловый, У -урациловый.

1.Первое правило:

2.Второе правило: А+Г=Ц+Т

3.Третье правило: А+Ц=Г+Т

Согласно модели, предложенной в 1953 году Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком, молекула ДНК представляет собой две параллельные неразветвленные полинуклеотидные цепочки, закрученные вокруг общей оси в двойную спираль. Цепочки в молекуле расположены антипараллельно т.е. навстречу друг другу. Они удерживаются рядом за счёт водородных связей. Водородные связи возникают между комплементарными (подходящие друг к другу как ключ к замку) азотистыми основаниями. Аденин комплементарен тимину (А = Т) две водородные связи, гуанин комплементарен цитозину (Г = Ц) три водородные связи. Комплементарность двух нитей ДНК приводит к тому, что число пуриновых оснований равно числу пиримидиновых А=Т, Г=Ц или (А+Г) / (Т+Ц) = 1. Молекулы ДНК бывают либо линейными, либо замкнутыми в кольцо. В ядре клетки находятся линейные ДНК (ядерные), а в митохондриях (митохондриальные ДНК) и пластидах (хлоропласты, лейкопласты) кольцевые ДНК. Размеры ДНК могут меняться в широких пределах - от нескольких пар нуклеотидов до миллиардов пар нуклеотидов. Средняя длина молекулы ядерной ДНК около 4 см, а общая длина всех молекул ДНК в клетках человеческого организма около 176 см.

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

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).

Таблица. Аминокислоты входящие в состав природных белков.

№	Аминокислота	Назв	Гр	Кодирующие триплеты (кодоны)
Аланин	Ала	ГЦУ	ГЦЦ	ГЦА	ГЦГ
Аргинин	Арг	ЦГУ	ЦГЦ	ЦГА	ЦГГ	АГА	АГГ
Аспарагин	Асн	ААУ	ААЦ
Аспарагиновая кислота	Асп	ГАУ	ГАЦ
Валин	Вал	нз	ГУУ	ГУЦ	ГУА	ГУГ
Гистидин	Гис	ЦАУ	ЦАЦ
Глицин	Гли	ГГУ	ГГЦ	ГГА	ГГГ
Глутамин	Глн	ЦАА	ЦАГ
Глутаминовая кислота	Глу	ГАА	ГАГ
Изолейцин	Иле	нз	АУУ	АУЦ	АУА
Лейцин	Лей	нз	ЦУУ	ЦУЦ	ЦУА	ЦУГ	УУА	УУГ
Лизин	Лиз	нз	ААА	ААГ
Метионин	Мет	нз	АУГ
Пролин	Про	ЦЦУ	ЦЦЦ	ЦЦА	ЦЦГ
Серин	Сер	УЦУ	УЦЦ	УЦА	УЦГ	АГУ	АГЦ
Тирозин	Тир	УАУ	УАЦ
Треонин	Тре	нз	АЦУ	АЦЦ	АЦА	АЦГ
Триптофан	Три	нз	УГГ
Фенилаланин	Фен	нз	УУУ	УУЦ
Цистеин	Цис	УГУ	УГЦ
Не кодирующие триплеты	УГА	УАГ	УАА

Таблица. Генетический код.

В таблице приведён состав триплетов, которыми закодированы все 20 аминокислот (названия сокращены). Так как при синтезе полипептидной цепи молекулы белка информация считывается с и-РНК, то назван состав триплетов нуклеотидов и-РНК, а в скобках указаны комплементарные основания ДНК.

Правила пользования таблицей. Первый нуклеотид в триплете берётся из левого вертикального ряда. Второй нуклеотид берётся из верхнего горизонтального ряда. Третий нуклеотид берётся из правого вертикального ряда. Там, где пересекутся линии, идущие от трёх нуклеотидов, и находится искомая аминокислота.

Первое	Второе основание	Третье основание
основание	У (А)	Ц(Г)	А(Т)	Г(Ц)
У (А)	Фен	Сер	Тир	Цис	У (А)
Фен	Сер	Тир	Цис	Ц (Г )
Лей	Сер	-	-	А (Т)
Лей	Сер	-	Три	Г (Ц)
Ц (Г)	Лей	Про	Гис	Арг	У(А)
Лей	Про	Гис	Арг	Ц (Г)
Лей	Про	Глн	Арг	А (Т)
Лей	Про	Глн	Арг	Г (Ц)
А (Т)	Иле	Тре	Асн	Сер	У (А)
Иле	Тре	Асн	Сер	Ц (Г)
Иле	Тре	Лиз	Арг	А (Т)
Мет	Тре	Лиз	Арг	Г (Ц)
Г (Ц)	Вал	Ала	Асп	Гли	У (А)
Вал	Ала	Асп	Гли	Ц(Г)
Вал	Ала	Глу	Гли	А(Т)
Вал	Ала	Глу	Гли	Г (Ц)

Лекция № 3

1. Генетическая роль нуклеиновых кислот.

2. Строение и сравнительная характеристика молекул ДНК, РНК.

3. Репликация ДНК, генетический код, реализация генетической информации.

4. Строение гена и его свойства.

Генетическая роль нуклеиновых кислот.

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ представляют собой усложнённые высокомолекулярные соединения, которые имеются во всех без исключения клетках, присущих живым организмам и являются материальными носителями всей наследственной информации.

Нуклеиновым кислотам принадлежит ведущую роль не в одном лишь хранении, но ещё и в передаче важной информации потомкам, а также реализации ее на протяжении индивидуального развития буквально каждого организма.

Нуклеиновые кислоты учёными были открыты уже в середине 60-тых годов 19 века (открытие сделал швейцарский ученый Ф. Мишер).

Во время опыта по обработке клетки гноя пепсином — ферментом из желудочного сока — Ф. Мишер с удивлением обнаружил, что ферментом переваривается не все клеточное содержимое, в их ядрах остаётся не разрушенным некое вещество.

Продолжив свои эксперименты на иных объектах, Мишер убедился в том, что им открыто новое вещество, которое сильно отличается от всех известных ранее веществ, имеющих биологическое происхождение (углеводов, белков, жиров и др.) собственным химическим строением.

Поднакопив довольно большое количество нуклеина, Мишер лишь смог обнаружить, что в составе его важная роль отводится какой-то неизвестной и очень сложной в плане своего строения кислоте.

Ещё одной составной частью нуклеинового вещества были белковые молекулы, так что, по сути, нуклеин из себя представлял химическое вещество, которое сейчас называется нуклеопротеином, либо хроматином.

Лишь по завершению 30-тых годов 20 века химический состав НК был уточнен, а кроме того, установлено, что существует два типа кислот — дезоксирибонуклеиновая (то есть ДНК) и рибонуклеиновая (или РНК), которые входят в клеточный состав абсолютно всех живых существ на планете.

Но, несмотря на это, детали строения нуклеиновых кислот оставались не совсем ясными вплоть до наступления 20-го века. В 50-тых гг., по словам ученого Д. Уотсона из Америки, установившего совместно с англичанином О. Криком базовые принципы ДНК-строения, относительно ДНК, по сравнению с белками, имелось крайне мало с точностью установленных данных.

Их изучением занимались лишь считанные химики, и если исключить тот факт, что НК представляют собой весьма большие молекулы, которые построены из мельчайших строительных блоков — так называемых нуклеотидов, о их химии не известно было ничего особенного, за что можно ухватиться генетику.

Даже более того, химики-органики, которые работали с ДНК, практически никогда генетикой не интересовались.

Роль нуклеиновых кислот

Довольно сложным был и сам путь к пониманию роли нуклеиновых кислот в жизни клеток.

Эти структуры закономерно распределялись по так называемым дочерним клеткам в ходе процесса клеточного деления. В первом же десятилетии века 20-ого стали высказываться предположения, согласно которым именно хромосомы — те самые носители наследственности, но сделать правильный дальнейший шаг — то есть связать наследственность с нуклеиновыми кислотами, находящимися в хромосомах, никто не догадался вплоть до 40-вых- 50-тых годов 20-го века.

Даже более того, со временем роль нуклеиновых кислот стали значительно преуменьшать. В конце 19-го века некоторые ученые на этот счет высказывали вполне разумные предположения. К примеру, известные биологи Рихард и Оскар Гертвиги в своих работах писали о возможности роли кислот в передаче важных наследственных признаков.

А ещё ему приписывается поистине выдающееся значение в размножении и развитии клеток. Однако позже эти в действительности правильные взгляды оказались забыты. Учёная мысль вплоть до 50-тых годов 20 века была скованной успехами в изучении свойств и структуры белковых молекул, а нуклеиновые кислоты же получили второстепенную роль.

Строение нуклеиновых кислот

И только после открытия 2-ойной спирали ДНК в 1953-ем году и установления важности роли нуклеиновых кислот в передаче наследственности пришла пора расцвета исследований этих кислот.

Удивительно быстро (меньше чем за 2 десятилетия) полностью было установлено строение двух типов молекул нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и доказано, что это в них сосредоточены основные структуры наследственности — так называемые гены.

Выяснена конкретная роль буквально каждого отдельного вида НК в передаче тех или иных наследственных свойств, а также управлении клеточной жизнедеятельностью, осуществлен поначалу искусственный молекулярный синтез ДНК и РНК вне живых клеток организмов.

После чего разработаны методы по осуществлению искусственного синтеза частей данных молекул — генов. На сегодняшний день идёт разработка способов внедрения чужеродных участков молекул ДНК в живые клетки в целях исправления тех или иных наследственных дефектов.

Наконец, надо отметить, что на протяжении последних лет препараты НК начали применять и непосредственно в целях лечения больных, которые страдают некоторыми тяжелыми формами кроветворных нарушений и ещё рядом иных болезней.

Например, установлено, что препараты НК имеют способность плодотворность деятельности костного мозга, в значительной мере способствуют коррекции выраженных нарушений обмена фосфора, приводящих к рахиту.

Поэтому изучение этих кислот является исключительно важным не только для правильного понимания основных моментов в жизни организмов и клеток, но и для проникновения в суть способности сохранять постоянными свойства в целом ряду поколений, роль в делении клеток, управлении всеми протекающими в организмах биохимическими реакциями, способности логично отвечать на раздражения, которые вызываются внешней в отношении организма средой и т. д.

Изучение нуклеиновых кислот, кроме того, создает возможности и для успешного практического использования этих кислот в медицине. Они — наибольшие молекулы в клетках у живых организмов и внешне представляют собой полимеры линейного типа с огромным молекулярным весом.

В клетках НК многократно скручены (иначе говоря, спирализованы) и образуют довольно компактные структуры, позволяющие им занимать сравнительно небольшой объем, однако если разложить молекулы ДНК в длину (всего лишь одной человеческой клетки), то получились бы цепи, чья длина составила несколько метров.

Только этот один факт уже говорит о сложности строения нуклеиновых кислот. Но как оказалось, основной их принцип строения довольно-таки прост. Цепи кислот состоят из чередующихся звеньев — так называемых нуклеотидов, чьё специфическое чередование и определяет запись всей наследственной информации в каждой клетке.

Каждые 3 последовательно располагающихся нуклеотида кодируют одну какую-то аминокислоту, а порядок последовательности нуклеотидов в ДНК-цепях у каждого организма поистине уникален, как и уникальна сама по себе наследственная информация у любого из видов организмов.

В свою очередь нуклеотиды тоже имеют достаточно сложное строение и состоят из 3-ех соединенных меж собой молекул: 5-тиуглеродного сахара (так называемой пентозы), азотистого основания, а также остатка фосфорной кислоты. А названия нуклеотидам даются по имени конкретного азотистого основания, которое входит в их состав.

В строении молекулы ДНК встречается 4 основных вида азотистых оснований: это аденин (А), цитозин (Ц), гуанин (Г) и тимин (Т). В состав молекулы РНК тимин заменяет другое, близкое к нему по строению основание — это урацил (У). Ещё одним отличием ДНК и РНК становится то, что включённые в состав ДНК нуклеотиды содержат в себе 5-тичленный сахар — так называемую дезоксирибозу, а в РНК в наличие имеется иной углевод — рибоза.

Как раз в ядре и содержится превалирующая часть клетки ДНК. Причём ДНК ядерная эукариотов соединяется с особыми, называемыми ядерными белками, образуя так называемые нуклеопротеидные нити.

Данные нити, скручиваясь многократно, формируют хромосомы. Помимо того, в клетках высших организмов — то есть эукариотов — ДНК обнаруживается в составе целого ряда разного рода внутриклеточных образований.

В большинстве случаев ДНК молекула выстроена из 2-ух полинуклеотидных цепей, которые скручены друг с другом. Данные цепи между собой соединяются по строго установленным правилам: тимин может соединяться с адештном и лишь с аденином, а тозин — с гуанином и т. п.

Строго установленные правила сочетания различных оснований в пары (иначе говоря, комплементарность аденина тимину и цитозина гуанину) понятными стали лишь после изучения точных размеров 2-ойной ДНК спирали.

Оказалось, что по всей длине диаметр 2-ойной спирали постоянен. Обеспечено постоянство данного размера спирали обеспечено может быть лишь в случае единственного сочетания оснований в паре. Лишь в том случае, если тимин соединяется с аденином, а цитозин с гуанином, могут получиться пары оснований, имеющих одинаковую длину.

Перед началом деления клеток происходит их удвоение (то есть репликация) ДНК молекул. Данный процесс представляет собой довольно сложную цепь одну за другой протекающих реакций, в итоге которых на материнских исходных молекулах ДНК происходит синтезирование их точных дочерних копий.

РНК также присутствуют во всех клетках живых организмов, при этом у части вирусов они являются одним единственным видом НК. Рибонуклеиновые кислоты исполняют важнейшую роль — обеспечивают перенос важной генетической информации непосредственно от ДНК к белкам. В живых организмах присутствует довольно большое количество разных белков, каждый из них выполняет чёткие функции.

Причём функциональные возможности, а также специализированность конкретного белка определяется его строением и, как правило, тем, в какой именно последовательности у него в молекуле располагаются основные единицы его структуры — аминокислоты.

Нуклеиновые кислоты — это основные участники центрального жизненного акта — синтеза молекул белка. Все, что требуется клетке для нормальной жизни, изначально запрограммировано на отрезках ДНК молекулы — то есть генах, что располагаются главным образом в ядре клетки.

Как раз они и являются хранителями всех эволюционных жизненных достижений, зафиксированных на языке генетического кода. Однако сами по себе гены белка не синтезируют. Информация, записанная в них, реализуется молекулами РНК.

Маленькие по своему размеру и удельному молекулярному весу эти молекулы имеют способность различать необходимые аминокислоты, подтаскивать и присоединять их к себе, транспортировать к рибосоме.

Буквально каждой из аминокислот соответствует собственная транспортная РНК. То есть, в клетке присутствует, по меньшей мере, два десятка видов РНК транспортных в соответствии с числом аминокислот.

Молекула РНК-транспортной, которая соединена с аминокислотой, подплывая к рибосоме, воссоединяется с ней. Уже в следующее мгновение сформировавшаяся матрица (то есть информационная РНК) двигается по рибосоме на определённое расстояние, что соответствует участку, на котором записан шифр присоединённой аминокислоты, словно подставляя участок для прочтения, на котором закодирована определённая аминокислота.

РНК информационная так продвигается до тех самых пор, пока буквально вся матрица не будет прочитанной рибосомой, а молекула соответствующего ей белка в полной мере синтезированной.

1-рвая транспортная аминокислота, которая выполнила свою задачу, сразу же покидает рибосому, освободив место для последующей.

Полностью освободившиеся от аминокислотного груза транспортные РНК постепенно уходят в цитоплазму, где их ожидают молекулы ферментов, дабы соединить со следующими порциями аминокислот. Так как в клетке, пока та живет, необходимы всё новые белки.

Существует и еще один тип РНК — рибосомные, составляющие основную массу. Их биологическая роль в настоящее время остаётся до конца не выясненной. Известно только, что нарушение целостности рибосомных РНК молекул приводит к нарушению активности рибосом.

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.

Было выяснено опытным путем, что молекулы нуклеиновых кислот способны переходить от одного простейшего организма к другому и передавать ему наследуемые признаки. Часть вирусов имеют рибонуклеиновые кислоты в качестве генетического материала. Но самая важная функция нуклеиновых кислот — это хранение и передача наследственной информации при размножении живых существ.

Какую роль играют в жизнедеятельности клетки

Генетическая информация, определяющая неповторимость любого организма — это информация о последовательности аминокислот в каждом из его белков. А содержится она в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты, сокращенно ДНК. Последовательность структурных единиц ДНК, нуклеотидов, соответствует последовательности аминокислот в белке. Это взаимное соответствие называется генетическим кодом.

Аминокислоты — природные органические соединения, из которых построены белки. Половина из аминокислот — незаменимые, они не синтезируются в организме и должны поступать с продуктами питания.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Рибонуклеиновая кислота, сокращенно РНК, играет роль посредника между ДНК и белком. Сведения, хранящиеся в ДНК, в результате химической реакции, спровоцированной промотором, переписываются в виде РНК. На участке ДНК, где идет синтез РНК, нити двойной спирали расплетены. По мере продвижения специального фермента, РНК-полимеразы, вдоль ДНК спираль восстанавливается.

Классификация типов РНК проводится по исполняемым функциям. РНК, в виде которой переписывается наследственная информация, получила название матричной. Она используется для получения белка много раз. Поэтому вдоль нее движется сразу несколько частиц РНК другого типа, каждая из которых делает свою копию белка.

Старт-сигнал представляет собой последовательность из пяти-восьми нуклеотидов, расположенную на расстоянии примерно в десять нуклеотидов от начала участка, который кодирует белок. Стоп-сигнал рибосомная РНК получает тогда, когда встречает особые тройки нуклеотидов: УАА, УГА и УАГ, не кодирующие аминокислоты. В клетке нет тех транспортных РНК, которые могли бы спариваться с ними своими петлями.

РНК третьего типа называют транспортной. Она составляет 15% всей клеточной РНК. Молекула транспортной РНК совсем маленькая, она состоит примерно из 75 нуклеотидов. С ее помощью между аминокислотами образуется химическая связь, т. е. появляется зародыш будущего белка. Далее аминокислоты будут присоединяться к растущей белковой цепочке по мере их поступления к месту синтеза.

Белковые цепочки, отрезанные от транспортной РНК, претерпевают в клетке дальнейшие изменения. Некоторые аминокислоты могут химически меняться, а сама цепочка иногда разрезается на части. Лишь в этом случае образуется полноценный белок. За последующую обработку только что произведенных белков в клетке отвечает множество различных ферментов.

Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК

Существует две разновидности нуклеиновых кислот. Одна содержит остатки дезоксирибозы и основания аденин, гуанин, цитозин и тимин. Это дезоксирибонуклеиновая кислота, сокращенно ДНК, названная так по названию углеводного остатка. А нуклеиновая кислота другого типа содержит остатки рибозы и основания аденин, гуанин, цитозин и урацил. Она называется рибонуклеиновой кислотой, или РНК.

Одна часть молекул РНК, информационная, диктует последовательность аминокислот в белке, другая, рибосомная, способствует соединению аминокислот в белковую цепь. Хранится информация о составе белков в более прочных молекулах ДНК. Они состоят из двух нитей, сплетенных в спираль, и имеют огромную по молекулярным масштабам длину.

Например, в ДНК бактерии Escherichia coli насчитывается четыре миллиона нуклеотидов, а в ДНК человека — пять миллиардов. Длина молекулы ДНК намного превосходит величину не только клеточного ядра, но и всей клетки. Например, размер ядра клетки печени человека равен в среднем 5 мкм, а целой клетки — 2 мкм. Линейная длина ДНК, содержащейся в клетке человека — 1,7 м.

Ядро клетки — обязательная органелла клетки у эукариот, мембрана которой отделяет генетический материал от цитоплазмы. Контролирует процессы синтеза белка, деления клетки и т. д.

В молекуле ДНК, содержащей от нескольких миллионов до нескольких миллиардов нуклеотидных пар, сосредоточено огромное количество генов. Общее их число можно оценить у таких простых организмов, как бактерии. Эти организмы не имеют ядра, и их единственная хромосома расположена в цитоплазме.

Подсчитано, например, что ДНК кишечной палочки включает от 3000 до 5000 генов. Размер каждой эукариотической хромосомы может в 4–100 раз превышать размер единственной хромосомы прокариот. Например, физическая длина молекулы ДНК самой мелкой хромосомы человека составляет 30 мм.

Молекулы ДНК в 46 хромосомах человека неодинаковы по размеру: они могут различаться между собой более чем в двадцать пять раз. Каждая хромосома несет уникальный набор генов, совокупность которых составляет геном клетки.

Тем не менее при сравнении нуклеотидной последовательности генов, кодирующих белки, и аминокислотной последовательности самих белков выяснилось: наряду с кодирующей белок нуклеотидной последовательностью ген содержит также совершенно бессмысленную нуклеотидную последовательность, не несущую никакой информации о построении белка.

Количество и протяженность интронов внутри гена могут быть различны. Например, ген одного из яичных белков, овальбумина, содержит восемь интронов, а ген белка соединительной ткани, коллагена, пятьдесят интронов, длина которых варьируется от сотни до нескольких тысяч нуклеотидов.

Интроны могут занимать до 95% от общей протяженности гена. Возможно, эти участки генов когда-то производили белки, необходимые для выживания организма в природных условиях того времени. Есть и гипотеза, согласно которой интроны существенно снижают вероятность мутации в жизненно важных участках генов.

Восстановление двойной спирали по одной ее цепи, как по матрице, называют матричным синтезом. Это свойство точно копировать себя с исходной матрицы имеет ключевое значение для жизни на земле. Реакции матричного синтеза неизвестны в неживой природе.

Без этих реакций живое утратило бы свое главное свойство — способность воспроизводить себя. Вся информация, касающаяся строения одного белка, занимает в ДНК небольшой участок. Этот участок и является геном.

РНК отличается от ДНК в основном тем, что содержит только одну нить, так же как и у ДНК, построенную из нуклеотидов и гораздо более короткую. Молекулы РНК являются как бы слепками отдельных участков большой молекулы ДНК и создаются также в результате реакции матричного синтеза.

Каждая такая РНК по существу является копией чертежа, необходимого для сборки отдельного белка. Сборочным цехом белков являются специальные частицы, находящиеся в цитоплазме клетки. Сюда и поступают молекулы РНК. Обычно они содержат около сотни нуклеотидов.

Сильные различия в размере между близкими по химической природе молекулами ДНК и РНК объясняются их принципиально разными функциями в клетке. Молекулы РНК живут всего несколько минут. Нестабильность РНК — отнюдь не недостаток, а ценное свойство, так как после выполненных операций по передаче информации клетке не нужно тратить энергию на считывание ненужной информации.

Строение и химический состав нуклеиновых кислот

Швейцарский биолог Иоганн Фридрих Мишер изучал клеточное ядро и в 1868 году проводил эксперименты с клетками гноя, лейкоцитами. Из их ядер ему удалось выделить новое вещество, содержащее фосфор. Мишер назвал это вещество нуклеином. Позже обнаружилось, что в его основе лежит белок, а также в веществе содержится кислый компонент неизвестной природы. Его назвали нуклеиновой кислотой.

Кислоты — вещества, состоящие из атомов водорода, способных замещаться на металл, и кислотного остатка. Они обычно подразделяются на кислородсодержащие и бескислородные.

Впоследствии Мишер выделил нуклеиновую кислоту из нескольких источников и активно изучал ее свойства, однако биологическая роль и химическая структура этого вещества оставались невыясненными еще в течение восьмидесяти лет.

Медленно и трудно, шаг за шагом приближались ученые к разгадке структуры и функций нуклеиновой кислоты. Было установлено, что количество нуклеиновой кислоты в одной клетке — величина постоянная для данного организма. В то же время содержание любого другого компонента, например белков, существенно зависит от типа клетки.

Также примечательно, что количество нуклеиновой кислоты в клетке обусловлено только сложностью организма и почти в тысячу раз возрастает при переходе от бактерий к млекопитающим. Для сравнения: количество белков клетки у бактерий и человека различается всего в десятки раз.

В начале 1940-х годов американскому микробиологу Освальду Эйвери удалось выделить из бактерий вещество — носитель наследственности. Эксперименты показали: данное вещество — открытая Мишером еще в прошлом столетии нуклеиновая кислота. Это стало настоящим переворотом в науке, опровергшим общепризнанные на тот момент представления ученых, что генетическую информацию несет молекула белка.

В отличие от нуклеиновой кислоты, о белке тогда было известно сравнительно много, однако никаких данных, прямо доказывающих его генетическую роль, не имелось. Как оказалось, генетическая роль нуклеиновой кислоты очень удачно объясняла многие ее свойства.

Во-первых, каждая клетка содержит постоянное количество нуклеиновой кислоты и, следовательно, несет полную информацию о целом организме. Во-вторых, чем сложнее организм, тем больше информации заключено в его клетках, поэтому количество нуклеиновой кислоты в клетке возрастает со сложностью организма.

Нуклеотиды, составляющие нуклеиновые кислоты, обладают сложной структурой. Они содержат остаток фосфорной кислоты, остаток молекулы углевода и остаток основания. Углеводные остатки в нуклеиновых кислотах бывают двух типов: у одних на гидроксильную группу меньше, чем у других.

Гидроксильная группа — функциональная группа ОН органических и неорганических соединений, в которой атомы кислорода и водорода связаны ковалентной связью.

Первый углеводный остаток называется дезоксирибозой, а второй — рибозой. Остатки оснований принадлежат к пяти различным типам. Два из них очень похожи и отличаются только тем, что у одного есть метильная группа, а у второго она отсутствует. Остаток с метильной группой называется тимином, а без нее — урацилом. Другие остатки оснований — это аденин, гуанин и цитозин.

Химические формулы нуклеозидов и оснований можно увидеть на картинке:

В целом структуру нуклеиновых кислот делят по сложности организации на четыре уровня:

Цепочки нуклеотидов, соединенные фосфодиэфирной связью, т. е. через фосфатный остаток.
Две цепочки, соединенные водородными связями.
Спираль из свернутых цепочек, соединенных дополнительными водородными связями через радикалы азотистых оснований.
Комплексы гистонов и нити нуклеопротеида хроматина.

Итак, два типа кислот, ДНК и РНК, отличаются структурой входящего в их состав углеводного остатка, а также структурой одного из оснований. В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды соединены в длинную цепь ковалентной химической связью: гидроксильная группа углеводного остатка одного нуклеотида присоединяется к фосфатной группе другого нуклеотида.

Таким образом, скелет цепи ДНК и РНК состоит из чередующихся углеводных и фосфатных остатков. При записи последовательности нуклеотидов принято обозначать их одной буквой — в соответствии с входящим в их состав основанием.

В РНК нуклеотид, содержащий остаток аденина, обозначается А, нуклеотид с остатком гуанина — Г, цитозина — Ц, урацила — У.

Из-за особенностей рибозы большинство клеточных РНК существует в одноцепочечной форме. Как правило, в РНК образуются лишь небольшие участки двойной спирали между различными фрагментами одной и той же цепи. Структура ДНК намного сложнее.

Американский биохимик Эрвин Чаргафф экспериментально установил в 1940-х годах ряд важных закономерностей:

Процентное содержание нуклеотидов с разными основаниями, т. е. нуклеотидный состав ДНК, одинаково для каждой клетки одного организма.
Соотношение (Г+Ц) : (А+Т) у одного биологического вида всегда остается постоянным.
Число остатков А всегда равно числу остатков Т, а число остатков Г — числу остатков Ц.

Ученые сделали вывод, что основания в ДНК встречаются попарно: наличие остатка А подразумевает наличие остатка Т, точно так же, как появление Г вызывает появление Ц.

Важный эксперимент выполнили английские исследователи Розалин Элси Франклин и Морис Хью Фредерик Уилкинс. Им удалось получить рентгенограмму волокон ДНК. Проходя через кристалл, рентгеновские лучи отклоняются от прямолинейного движения, претерпевают дифракцию из-за ядер атомов, с которыми сталкиваются.

Так по отклонениям лучей можно определить расположение атомов. Дифракционная картина ДНК оказалось чрезвычайно сложной. Крест в центре рентгенограммы указал на то, что молекула ДНК имеет форму спирали.

В 1953 году американский биохимик Джеймс Дьюи Уотсон и английский биофизик и генетик Фрэнсис Харри Комптон Крик проанализировали полученную ранее рентгенограмму и создали пространственную модель молекулы ДНК. Это одно из наиболее впечатляющих открытий в молекулярной биологии, за которое Уотсон и Крик были в 1962 году удостоены Нобелевской премии.

Согласно их гениальной догадке, молекула ДНК образуется при закручивании двух цепочек ДНК вокруг общей оси симметрии. Спираль закручена по часовой стрелке, причем цепи направлены в противоположные стороны. На каждый виток спирали приходится ровно десять нуклеотидных пар.

Основания, находящиеся друг напротив друга в разных цепях, сильно сближены, поэтому между ними возникают нековалентные взаимодействия. Атомы водорода одного основания электростатически притягиваются атомами кислорода или азота другого основания. Химики называют этот тип взаимодействий водородными связями.

Размеры двойной спирали ДНК таковы, что поместиться внутри нее друг против друга могут лишь строго определенные пары оснований.

Внешний диаметр спирали равен 2 нм, а внутренний — 1,1 нм. В это пространство прекрасно укладываются пары А-Т и Г-Ц, в которых одно основание (А или Г) крупное, состоящее из шестиугольника и пятиугольника, а другое (Т или Ц) — маленькое, только из шестиугольника.

Для пар А-А, Г-Г или А-Г из двух крупных оснований этого расстояния не хватает. А для пар Т-Т, Ц-Ц или Т-Ц, где оба основания маленькие, места более чем достаточно, но они оказались бы слишком далеко друг от друга, чтобы образовать водородные связи.

Помимо пространственных ограничений на формирование пар влияют и правила образования водородных связей. Атомы водорода в крупных (А и Г) и маленьких (Т и Ц) основаниях занимают вполне определенные положения. Аденин не может объединиться в пару с цитозином, поскольку тогда на месте одной связи оказалось бы два атома водорода, а на месте другой — ни одного.

Точно так же гуанин не может создать пару с тимином. Аденин, напротив, образует с тимином две водородные связи, а гуанин с цитозином — три водородные связи. Ориентация этих водородных связей и расстояние между ними обеспечивают наиболее сильное взаимодействие между основаниями.

Схема образования пар оснований, предложенная Уотсоном и Криком, прекрасно согласовывалась с экспериментами Чаргаффа, который показал, что количество А в ДНК равно количеству Т, а количество Г — Ц. Допустим, в одной цепи в определенном месте расположен остаток аденина, значит, напротив него в другой цепи обязательно обнаружится остаток тимина, и никакой другой.

Точно так же если в одной цепи находится гуанин, напротив него обязательно появится цитозин. Поэтому, когда известна нуклеотидная последовательность одной цепи, всегда можно определить последовательность другой. Две нуклеотидные цепочки ДНК не идентичны друг другу, но комплементарны.

Комплементарность — взаимное соответствие молекул биополимеров, благодаря которому между фрагментами молекул происходит супрамолекулярное взаимодействие и образуются связи.

Обязательное требование к носителю генетической информации — способность к ее точному копированию при каждом цикле клеточного деления. Комплементарность двух цепей ДНК приводит к простому механизму воспроизведения, или репликации ДНК.

У кишечной палочки 1 хромосома, а у человека — 46. Один и тот же хромосомный набор содержится в каждой клетке организма, за исключением случаев химеризма и мозаицизма. Главная характеристика этих явлений — наличие в организме генетически отличных клеток, переданных в обход полового размножения, например, через плаценту от матери к ребенку или от одного близнеца к другому.

Читайте также: